Усилитель Агеева

Усилительный блок любительского радиокомплекса

Усилительный блок любительского радиокомплекса

(Первоисточник  журнал Радио. 1982 №8) А. Агеев

Когда москвич А. Агеев принес в редакцию макеты разработанных им усилителей мощности НЧ и рассказал об их параметрах, мы. скажем прямо, отнеслись к его словам с некоторым недоверием. В самом деле, собрав усилитель всего на одном операционном усилителе и четырех транзисторах, автору, как он утверждал, удалось получить выходную мощность до 60 Вт при сравнительно небольших коэффициентах гармонических и интермодуляционных искажений и, главное, высокую термостабильность без применения каких-либо термокомпенсирующих элементов. Естественно, поэтому, прежде чем публиковать описание в журнале, было решено всесторонне испытать усилители и оценить качество их работы на слух.

  Версия для печати

Субъективная оценка производилась путем сравнения качества звучания испытуемого усилителя с выходной мощностью 60 Вт с одним из каналов промышленного усилителя НЧ высшего класса "Электроника Т1-002". Результаты испытаний превзошли все ожидания: при питании от стабилизированного источника (это, как оказалось, немаловажное условие) все слушатели отдали предпочтение усилителю А. Агеева, отмечая заметно лучшее звучание музыкальных программ с большим содержанием составляющих высших частот (о том, какой из каналов стереоусилителя заменялся на испытуемый в каждый отрезок времени прослушивания они, естественно, не знали). Несколько хуже работал усилитель при питании от нестабилизированного источника "Электроника Т1-002". Измерения электрических параметров в основном подтвердили результаты, полученные автором (несколько больше оказался коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц).

Предвидя возможные осложнения у радиолюбителей при выборе предварительного усилителя, редакция попросила А. Агеева дополнить тракт таким устройством.

Читателей, собравших описываемый в статье усилительный блок, просим сообщить редакции, какие встретились трудности в его изготовлении и налаживании, какие получены параметры, какие усовершенствования были внесены с целью улучшения параметров блока. Наиболее интересные, проверенные практически схемные и конструктивные решения будут опубликованы в журнале.

А. АГЕЕВ

Одна из проблем, которую радиолюбителю приходится решать при разработке транзисторного усилителя НЧ, обеспечение температур мои стабильности режим А работы выходного каскада. Обычно это достигается применением специальных термокомпенсирующих цепей. Однако на практике реализация такого способа термостабилизации режима сопряжена с определенными трудностями, поэтому любительские усилители НЧ нередко перегреваются даже при небольшом повышении температуры окружающего воздуха.

В предлагаемом вниманию читателей усилительном блоке эта проблема решена иначе. Высокая термостабильность выходного каскада достигнута благодаря тепловой связи между его транзисторами. Их режим работы остается практически неизменным (ток покоя увеличивается не более чем на 15%) при повышении температуры окружающего воздуха до Т 35-50°С. Еще одной особенностью блока является применение в усилителе мощности ОУ с так называемым плавающим питанием. Это позволило получить непосредственно от ОУ требуемый для "раскачки" выходного каскада сигнал.

Описываемый блок состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности.

  Версия для печати

Принципиальная схема одного из каналов предварительного усилителя показана на рис. 1 Он состоит из коммутатора входных сигналов, ступенчатого аттенюатора сигнала, активного пятиполосного регулятора тембра, тонкомиенсированного регулятора громкости и фильтра нижних частот (ФНЧ). Источники программ (тюнер, проигрыватель с предусилнтелем-корректором и два магнитофона - катушечный и кассетный) подключаются к разъемам А7 -А). Выбирают нужный источник кнопочным переключателем .S1-S4. Подстроечные резисторы R1-R4 служат для приведения сигналов источников программ к номинальному уровню 250 мВ. Переключатель S5 предназначен для ступенчатого ослабления сигнала на 10 дБ.

Сигнал выбранный коммутатором входов, поступает на регулятор стереобаланса (сдвоенный переменный резистор R7)  а с него - на вход усилителя с регулируемой в широких пределах АЧХ (за основу взято устройство, описанное в [1]). Эта часть предварительного усилителя содержит каскад с линейной АЧХ на ОУ А2 и активный пятиполосный регулятор тембра на ОУ А1. Области частот, в которых регулируется АЧХ определяются параметрами RC-цепей, включенных в петлю ООС, охватывающей ОУ А1 . При перемещении движков переменных резисторов R13, R19, R22. R25 и R28 вниз (по схеме) усиление этого каскада на частотах регулирования возрастает, при перемещении вверх - снижается. АЧХ регулятора тембра при поочередной установке движков резисторов в крайние положения, а также в их среднем положении показаны на рис. 2.

С выхода регулятора тембра сигнал поступает на вход ФНЧ R30C15 с частотой среза около 30 кГц. Благодаря этому фильтру скорость нарастания напряжения на выходе усилителя мощности не может превысить 3 В/мкс, чем устраняется возможность появления динамических искажений сигнала.

Тонкомпенсированный регулятор громкости выполнен по обычной схеме на сдвоенном переменном резисторе R35 с отводами. С делителя R31R32 часть усиленного сигнала (примерно 250 мВ) подается на разъем Х5, предназначенный для подключения магнитофона на запись. Возможность частотной коррекции сигнала позволяет использовать для перезаписи фонограммы с частотными потерями.

Питается предварительный усилитель от общего с усилителем мощности источника через параметрический стабилизатор на стабилитронах V1, V2.

Усилитель мощности содержит, как уже говорилось, каскад усиления напряжения на ОУ и выходной каскад, выполненный по несколько необычной схеме. Прототипом этого каскада послужил так называемый линейный "параллельный" усилитель [2], широко используемый в устройствах малой (до 1 Вт) мощности. Транзисторы V1 и V3 (рис. 3, а) образуют один канал усиления сигнала по току. V2 и V4 - другой. Сопротивления резисторов R1, R2 и напряжения источников питания G1, G2 одинаковы. Входы и выходы каналов соединены параллельно. Для обеспечения термостабильности каскада достаточно создать хорошую тепловую связь между транзисторами V1 и V3, V2 и V4 или. что удобнее (так как подлежащая охлаждению металлическая поверхность корпуса транзистора соединена обычно с коллектором) - между транзисторами V2 и V3, V1 и V4.

Однако "параллельному" усилителю свойствен недостаток - при работе на низкоомную нагрузку (что типично для УНЧ) он имеет неудовлетворительную амплитудную характеристику. Ограничение выходного напряжения наступает при уровнях, значительно меньших напряжений питания. Например, при напряжении питания +18 В, использовании одинаковых транзисторов со статическим коэффициентом передачи тока Н21Э~50, сопротивлении резисторов R1 и R2, равном 150 Ом (ток покоя выходного каскада 120 мА), и сопротивлении нагрузки 4 Ом максимальная амплитуда выходного напряжения лишь не намного превышает +10 В. Объясняется это тем. что при достижении такого напряжения закрывается либо транзистор V1 (если входной сигнал нарастает в положительную сторону), либо транзистор V2 (в отрицательную).

Существенно улучшить амплитудную характеристику усилителя можно введением диода V5 (рис. 3, б). При отсутствии сигнала и до тех пор, пока не наступит его ограничение, диод закрыт приложенным к нему напряжением обратной полярности. В момент ограничения нарастающего, например, в положительную сторону сигнала это напряжение начинает уменьшаться, так как транзистор V2 открыт и на его эмиттере сигнал продолжает увеличиваться. Наконец, диод V5 открывается, и вместо канала усиления на транзисторах V1, V3 образуется канал на транзисторах V2. V3 (через диод V5). При усилении сигнала, нарастающего в отрицательную сторону, аналогичным образом образуется канал на транзисторах V1, V4 (также через диод V5). Для устранения резких изломов сигнала в моменты его ограничения и открывания диода V5 последний шунтирован резистором R3 (рис. 3, в).

Интересная особенность описываемого выходного каскада - малая разность входного и выходного напряжений покоя [3]. обусловленная симметрией каналов и большим числом однотипных транзисторов (она может составлять всего лишь несколько десятков милливольт даже без подбора транзисторов). Это позволяет наращивать выходную мощность, соединяя несколько таких каскадов параллельно: их входы просто соединяют друг с другом, а выходы объединяют через уравнивающие резисторы сопротивлением 0.5 Ом.

Принципиальная схема одного из каналов усилителя мощности приведена на рис. 4. В процессе отработки схемы были исследованы два варианта устройства - с выходной мощностью 25 и 60 Вт (номиналы и типы элементов, а также значения стабилизированных напряжений питания для последнего указаны в скобках). Стабилитроны V6, V7 в усилителе с выходной мощностью 25 Вт не используются.

Основные технические характеристики усилителя мощности

Номинальная выходная мощность. Вт. на нагрузке сопротивлением 4 Ом..........2 x 25(2 x 60)

Полоса мощности. кГц .... 0.02... 150(100)

Номинальное входное напряжение. В................1(1)

Коэффициент гармоник. %. на частоте. кГц:

1 . . 0.1(0.1)

2 . . 0.14(0.55) 10 . 0,2(0.9) 20..........0,35(1.58)

Коэффициент интермодуляционных искажений. %, при подаче сигналов частотой 160 Гц и 1.4 кГц с отношением амплитуд

4:1.......... 0,3(0,47)

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс......... 8(8)

Входное сопротивление. кОм 150

Ток покоя выходного каскада, мА 50(50)

Интервал температур окружающего воздуха. "С . . -10...4 35

1 -10...-f 50)

Каскад усиления напряжения сигнала выполнен на ОУ A1. Как видно из схемы, в цепь его питания подается часть выходного сигнала через цепь R6C3C4R4R5 (вместе со стабилитронами V6, V7 элементы этой цепи, кроме резистора R6, обеспечивают стабилизацию и фильтрацию питающих напряжений). В результате напряжения на Каскад усиления напряжения сигнала выполнен на ОУ At. Как видно из схемы, в цепь его питания подается часть выходного сигнала через цепь R6C3C4R4R5 (вместе со стабилитронами V6, V7 элементы этой цепи, кроме резистора R6, обеспечивают стабилизацию и фильтрацию питающих напряжений). В результате напряжения на выводах питания ОУ при максимальном сигнале смешаются (относительно общего провода) в соответствующую сторону и размах выходного сигнала ОУ значительно увеличивается. Возникающие при этом на входах ОУ большие синфазные сигналы не представляют особой опасности, так как ОУ их хорошо подавляет (типичное значение коэффициента ослабления 70...90 дБ).
Усилитель мощности имеет два входа - инвертирующий (приведенные выше характеристики снимались при подаче сигнала на этот вход) и неинвертируюший (соответственно входы 2 и 1). Это упрощает разработку многополосных трактов с разделением сигнала на входе. Например, чтобы разделить сигнал на две полосы, достаточно между входами одного из усилителей включить фильтр верхних частот (низкочастотный сигнал образуется в результате вычитания выходного сигнала фильтра из входного). При этом, естественно, следует учесть, что коэффициент усиления с инвертирующего входа равен отношению R31 R2, а с неинвертирующего - 1+R31R2.

При подаче сигнала на инвертирующий вход стабилизированные напряжения питания не должны превышать +28 В, на неинвертирующнй - значения, равного +(?Увх + 28 В), где UBK - амплитуда входного сигнала. Неиспользуемый вход в любом случае необходимо соединить с общим проводом. Если же усилитель предполагается питать от нестабилизированного источника, то во избежание опасных перенапряженнй в цепях питания ОУ значения напряжений, указанные на рис. 4, необходимо уменьшить на 20%.

  Версия для печати

Именно так пришлось поступить с усилителем описываемого блока, собранным по схеме 60-ваттного варианта. С целью упрощения конструкции блока для питания использован нестабилизированный выпрямитель (рис. 5) с выходным напряжением под номинальной нагрузкой +23 В. При таком напряжении питания усилитель отдает в нагрузку около 40 Вт, что вполне достаточно для работы с любыми бытовыми громкоговорителями.

При использовании усилителя мощности с другими предварительными усилителями и подаче сигнала на инвертирующий вход следует иметь в виду, что выходное сопротивление предшествующего каскада входит в цепь ООС, охватывающей ОУ А1, поэтому оно не должно превышать 15 кОм.

Конструкция и детали.

Кроме указанных на схеме, в предварительном усилителе блока можно использовать ОУ К140УД8А, К140УД8Б, К153УД1 (с соответствующей коррекцией), К153УД2, К544УД1. Сдвоенные переменные резисторы R7, RI3, R19. R22, R25, R28 - СПЭ-236 группы A. - СП3-2363 группы В; подстроенные резисторы R1-R4 - СПЗ-16. Кнопочный переключатель входов SI-S4 - П2К с зависимой фиксацией кнопок. 55 - того же типа, но с независимой фиксацией кнопки.

ОУ КМ0УД8А в усилителе мощности можно заменить на К140УД8Б, К140УД6. К140УД10. К140УД11. К544УД1. Худшие результаты даст применение ОУ К140УД7. Вовсе не рекомендуется использовать ОУ К140УД1Б, К140УД2А. К140УД2Б, К153УД1. Вместо стабилитронов KC5I8A можно применить соединенные последовательно стабилитроны Д814А, Д814Б с общим напряжением стабилизации около 18 В.

Остальные детали могут быть следующих типов: постоянные резисторы - МЛТ, электролитические конденсаторы К50-6, К50-12, остальные - KM, К73-9 и т. п. Отклонение номиналов элементов частотозадаюших цепей предварительного усилителя не должно превышать +5%.

Катушка LI усилителя мощности намотана виток к витку проводом ПЭВ-1 0.51 на текстолитовом каркасе диаметром 10 и длиной 15 мм и содержит 24 витка. Трансформатор литания (рис. 5) изготовлен на базе серийно! о трансформатора ТС-200. Все его вторичные обмотки удалены, а на их месте (на каждом каркасе) намотано по 66 витков сложенного вдвое (для увеличения сечения) провода ПЭЛ-1.0.

Летали предварительного усилителя, кроме элементов входного устройства, смонтированы на печатной плате (рис. 6). изготовленной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Переменные резисторы регуляторов громкости, тембра и стереобаланса установлены с той же стороны платы, что и остальные детали. Лепестки их металлических корпусов-экранов вставлены в соответствующие отверстия в плате, загнуты со стороны фольги и припаяны к ней. Внешний пил этой части блока показан на 2-й с. вкладки.

.Усилитель мощности смонтирован на печатной плате из того же материала. Размеры платы - 80 x 70 мм (на рис. 7 изображена только ее часть с печатными проводниками). Такие же размеры и у теплоотводов варианта усилителя с выходной мощностью 25 Вт. Они изготовлены из анодированного в черный цвет листового алюминиевого сплава толщиной 2 мм. Крепление транзисторов выходного каскада к теплоотводу показано на вкладке. Перед установкой на место подлежащие охлаждению площадки транзисторов I(VI. V2) и 8(V3. V4) необходимо покрыть тонким слоем густой смазки (например ЦИАТИМ-201), а в отверстия их корпусов вставить ребристые латунные шайбы 5 толщиной 2 мм. Для обеспечения надежного теплового контакта в' процессе эксплуатации под гайку 2 необходимо подложить (кроме плоской шайбы 4) еще и стопорную разрезную шайбу 3.
В усилителе с выходной мощностью 40...60 Вт использованы имеющиеся в продаже универсальные теплоотводы 8.650.022 с эффективной площадью поверхности 300 см2. На таком теплоотводе транзисторы крепят с одной стороны вплотную друг к другу (см. вкладки).

Высокая термостабильность описываемого усилителя мощности позволяет эксплуатировать транзисторы выходного каскада при температуре переходов. близкой к предельно допустимой (+125° С). Температура корпусов при этом может достигать +90...95° С, поэтому следует избегать соприкосновений с ними (возможны ожоги!). Кроме того, следует иметь в виду, что надежность транзисторов при температурах, близких к предельно допустимой, заметно снижается. Использовать в усилителе транзисторы в металлостеклянных корпусах не рекомендуется.

Налаживание блока сводится к установке номинальных входных напряжений от всех источников программ, проверке режимов работы ОУ и контролю тока покоя транзисторов выходного каскада усилителя мощности (он должен составлять примерно 50 ма).

Сигналы, поступающие от разных источников программ, приводят к одному уровню подстроечными резисторами R1 R4 (рис. I). Этот уровень выбирают таким, при котором ограничение сигнала на выходе усилителя мощности еще не наступает (регулятор громкости при этом должен находиться в положении максимального усиления).

При использовании осциллографа следует учесть, что подсоединять его к контролируемым цепям усилителя мощности можно только через резистор сопротивлением 1 кОм. иначе входная емкость прибора (вместе с соединительным кабелем - до 200 пФ) может вызвать самовозбуждение усилителя.

В заключение несколько слов о возможных способах снижения нелинейных искажений, вносимых усилителем мощности. Достигнуть этой цели, по-видимому. можно сочетанием следующих мер:

дальнейшим улучшением амплитудной характеристики исходного "параллельного" усилителя и его линейности:

- увеличением глубины ООС за счет уменьшения сопротивления резистора R3. Снижение чувствительности в этом случае можно компенсировать увеличением выходного сигнала предварительного усилителя (уменьшением сопротивления резистора R16). Во избежание самовозбуждения усилителя мощности при коэффициентах усиления меньших 3. между инвертирующим входом ОУ A1 и общим проводом необходимо включить последовательную корректирующую цепь из резистора сопротивлением 36 кОм и конденсатора емкостью 39 пФ;

применением более совершенных ОУ (с частотой единичного усиления не менее 20 МГц. скоростью нарастания выходного напряжения около 30 В/мкс и полосой большого сигнала до 100 кГц), например К544УД2. К574УД1;

увеличением тока покоя выходных транзисторов, что достигается уменьшением сопротивлений резисторов R7. R9. Следует, однако, учесть, что в усилителе с выходной мощностью 25 Вт ток покоя не должен превышать 0.5 А, а в усилителе с выходной мощностью 40...60 Вт - 0,85 А. Минимума нелинейных искажений добиваются подбором (на частоте 20 кГц) резистора R8.

г Москва

ЛИТЕРАТУРА

1 Volkcr L. Equalizer mi! wc-nig Aui-wand. Funkschau. 1979, No 15. S. 85 (89f.)

2. Диалоговые интегральные схемы. Под ред. Лж. Коииели. dep. с англ. М . Мир 1977. с 101.

3 Хейнлейи В. F... Холмс В. X. Активные фильтры для интегральных схем -М . Связь. 1980. с. 258. 69. 270.

 

Блоки питания для усилителей

 

 

 

 

Полезные и интересные статьи

На предыдущую страницу  На главную страницу  На следующую страницу