Высоколинейный термостабильный усилитель ЗЧ, УМЗЧ
Усилители Жбанова, УМЗЧ термостабильный высоколинейный
Высоколинейный термостабильный усилитель ЗЧ
Журнал Радио 1983 № 10 автор: Жбанов
При разработке усилителей мощности на биполярных
транзисторах высокие требования предъявляются к термостабильности тока
покоя выходных транзисторов, особенно в тех случаях, когда для снижения
нелинейных искажений он выбран достаточно большим.
Обычно термостабилизация достигается с помошью термодатчика,
установленного на теплоотводе выходных транзисторов. Для расчета
параметров цепи такой системы термостабилизации необходимо знать
тепловое сопротивление кристалл транзистора - среда. Однако, поскольку
сопротивление зависит от многих факторов, включая конструктивное
оформление усилителя, результаты теплового расчета будут носить
ориентировочный характер, и после изготовления усилителя цепь
термостабилизации придется подстраивать.
Но самое неприятное то, что#при гаком способе термостабилизации тока
покоя возникает опасность выхода усилителя из строя. Дело в том, что для
устранения динамических искажений в звуковом диапазоне частот
максимальную скорость нарастания выходного напряжения усилителя
приходится повышать до 3...5 В/мкс. В этом случае при использовании
выходных транзисторов с граничной частотой 3...5 МГц через них начнет
протекать сквозной ток и возникнет опасность их теплового пробоя. Столь
высокую скорость нарастания выходного напряжения может вызвать мощная
высокочастотная помеха, переходный процесс при включении усилителя и
другие явления с малым временем действия. Мощность, выделяющаяся при
этом на выходных транзисторах, невелика, но из-за инерционности передачи
тепла от кристалла транзистора к термодатчику ток покоя резко
увеличивается и кристаллы выходных транзисторов разогреваются настолько,
что над ними нависает угроза теплового пробоя.
Избавиться от указанной опасности можно изменением построения выходного каскада усилителя таким образом, чтобы ток покоя выходных транзисторов не зависел от их температуры. Требуемым свойством при определенных условиях обладает каскад, выполненный на составных транзисторах разной структуры.
Принципиальная схема одного плеча такого выходного каскада представлена на рис. 1.
Ток покоя определяется формулой: Io=(Ur-IбV1хRг-UвэV1)/R2.
Рассмотрим условия, при которых ток Iо мало
зависит от температуры корпуса транзистора V2. Очевидно, если Rвx>Rг (Rвх
- входное сопротивление составного транзистора), вычитаемым
IбV1Rг можно
пренебречь, и стабильность тока будет всецело зависеть от стабильности
напряжения на эмиттерном переходе транзистора V1 UбэV1
- А чтобы на это напряжение не влиял режим работы усилителя, необходимо
ослабить зависимость мощности рассеяния транзистора V1
от мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку. Это возможно при
соблюдении условии:
IбmaxV2<= (4-6> IкV1 (IбmaxV2- базы транзистора V2 при максимальной мощности в нагрузке. Iк 1 - ток коллектора транзистора V1 в режиме покоя).
Теперь предположим, что температура кристалла транзистора V2 увеличилась на 100°С. а ток 10 остался неизменным. В этом случае на 25...35% уменьшится напряжение UбэV2 транзистора V2 (изменение напряжения UбэV2 от температуры у кремниевого транзистора равно 2...2.5 мВ/°С) и на 30...60% увеличится его коэффициент передачи тока, что в итоге приведет к уменьшению в 1.5...2 раза тока коллектора транзистора V1. Такое снижение коллекторного тока при неизменной температуре кристалла транзистора V1 могло бы привести к уменьшению напряжения UбэV1, на 30...50 мВ, однако этого не происходит, поскольку одновременно с уменьшением тока падает мощность рассеяния, а значит, и температура кристалла транзистора. Причем, если это уменьшение составит 10... 20°С. напряжение практически не изменится.
Температуру кристалла можно определить по рассеиваемой
на транзисторе мощности. Так, при мощности рассеяния, равной Рк т>ж
(паспортный параметр транзистора), температура кристалла у кремниевых
транзисторов малой и средней мощности, работающих без теплоотвода, как
правило, превышает температуру окружающей, среды на 100°С. А это значит,
что изменение рассеиваемой транзистором мощности на 0.1РКтах изменяет
температуру кристалла этого транзистора на 10°С.
Таким образом, уменьшение температуры кристалла на 10...20°С, вызванное
уменьшением рассеиваемой на транзисторе мощности в 1,5...2 раза,
наблюдается в том случае, если при температуре кристалла транзистора,
равной температуре окружающей среды, рассеиваемая им мощность
PpаccV1=(0,2...0,5)Pкmax
При выполнении всех названных условий нестабильность напряжения UбэV1,
вызванная изменением температуры кристалла транзистора V2 на 100 С, не
превышает +20 мВ.
Чтобы при этом существенно не изменился ток покоя, падение напряжения на
резисторе R2 должно в 3...5 раз превышать величину нестабильности
напряжения UB3VI, т. е. составлять G0... 100 мВ и более. Например, при
К2-0,3 Ом оно соответствует току покои 180...300 мА. Именно такая
величина тока покоя обычно устанавливается в высококачественных
усилителях НЧ.
Для достижении термостабильности тока покоя при
изменении температуры окружающей среды напряжение источника сигнала Uг
должно изменяться по тому же закону, что и напряжение UбэV1
т е - изменение этого напряжения от температуры окружающей среды должно
быть равно 2...2,5 мВ/°С.
В качестве примера на рис. 2 прицелена упрощенная принципиальная схема
термостабильного оконечного каскада усилители с номинальной выходной
мощностью 60 Вт.
Расположенные на общей печатной плате диоды VI и V2 компенсируют
нестабильность напряжения Uбэ транзисторов V3
и V4 при изменении температуры окружающей среды.
Другим примером реализации приведенного выше способа термостабилизации
тока покоя может служить усилитель. принципиальная схема которого
приведена на рис. 3. Его основные технические характеристики следующие:
Номинальный диапазон частот. Гц........ 20...20 000
Максимальная выходная мощность. Вт. при сопротивлении нагрузки 4
ом...... 100
Коэффициент гармоник при выходной мощности до 60 Вт в диапазоне частот
20 ..20 000. Гц. %. не более . 0.015
Номинальное входное напряжение. В................1
Относительный уровень шумов. дБ..................100
Входной каскад усилителя выполнен на высокоскоростном ОУ
A1 и обеспечивает основное усиление но напряжению. Для лучшего
согласования ОУ с выходным каскадом базы транзисторов V3 и V4 соединены
вместе, а напряжение смешения, снимаемое с диодов делителя R16. V5-V8,
RI7, подается на эмиттеры этих транзисторов Диоды V5-V8 служат
одновременно для компенсации нестабильности напряжений база - эмиттер
транзисторов V3, V4, V11 и V12 при изменении температуры окружающей
среды.
Выходной каскад усилители охвачен глубокой (35...40 дБ) местной ООС.
Такую связь удалось получить за счет увеличения коэффициента усиления
каскада на транзисторах V3 и V4 вследствие шунтирования резисторов r
цепях их эмиттеров конденсаторами С10 н СП. Однако наличие конденсаторов
отрицательно сказывается на линейности выходного каскада, и чтобы
сохраните ее достаточно высокой, параллельно резисторам R22 и R25
пришлось включить диоды V13 и VI4, которые позволили увеличить
коэффициент усиления составных выходных транзисторов при повышенной
амплитуде выходного напряжения и тем самым уменьшить переменную
составляющую напряжения на конденсаторах СЮ и СИ.
Применение диодов VI3 и VI4 улучшило термостабильность тока покоя
выходных транзисторов, так как позволило увеличить сопротивление
резисторов R22 и R25 и довести падение напряжении на них в режиме покоя
до 250... 300 мВ.
Несмотря на то, что эмиттерная нагрузка выходных составных транзисторов
нелинейна, коэффициент гармоник, усилителя не увеличивается, поскольку
суммарная глубина ООС. которой охвачены транзисторы выходного каскада,
являющиеся основным источником нелинейных искажений, остается постоянной
независимо от того, открыты или закрыты диоды VI3 и VI4.
Транзисторы V9. V10. V19 и V20 работают в устройстве защиты усилителя от
короткого замыкания в нагрузке. Корректирующие конденсаторы С13 и С14
снижают частоту среза каскада на составных выходных транзисторах до 20
кГц, обеспечивая запас устойчивости выходного каскада 10... 12 дБ при
полосе пропускания 1.2...2 МГц.
Весь усилитель охвачен ООС, глубина которой на частоте 20 кГц равна
приблизительно 40 дБ. На более низких частотах глубина обшей ООС
увеличивается. Между выходом ОУ и выходным каскадом включен
частотно-зависимый делитель R8R10C9, который, не уменьшая глубины ООС в
номинальном диапазоне частот, снижает частоту среза усилителя до 300
..500 кГц и обеспечивает запас устойчивости по цепи общей ООС - 10...15
дБ.
Полоса пропускания усилителя в режиме максимальной мощности равна (60
кГц. что свидетельствует об отсутствии динамических искажений в
номинальном диапазоне частот. Фильтр R2C3 предохраняет вход усилителя от
высокочастотных помех.
Все детали усилителя, кроме транзисторов V15 и V16, закрепленных на
теплоотводах, рассчитанных на рассеивание мощности 25...30 Вт. размешены
на печатной плате. Катушка L1 состоит из одного слоя провода диаметром
0.8 мм, намотанного на всю длину корпуса резистора R32 (С5-5).
Питается усилитель от не стабилизированного источника, обеспечивающего
выходной ток не менее 1.5 А.
Указанные на схеме транзисторы КТ825Б и КТ827Б можно заменить составными
транзисторами, например, КТ814Г, КТ818Г и КТ815Г, КТ819Г. Вместо
транзисторов КТ608Б и KT3I08A можно использовать КТ342Г, КТ646А и
КТ644Л, КТ644Б. КТ639Г. КТ639Д соответственно, во втором каскаде (V3 и
V4) возможно также применение транзисторов КТ3102А. КТ3102Б, КТ315Г и
KT3I07A. КТ3107И. КТ313Б, КТ361Г. В устройстве защиты (V9 и V10) можно
использовать любые высокочастотные кремниевые транзисторы. Диоды КД522А
можно заменить диодами Д220, КД503. стабилитроны КС515А - двумя
стабилитронами с общим напряжением стабилизации 15... 17 В. микросхему
К544УД2 ОУ К574УД1. Из-за опасности увеличения коэффициента гармоник
заменять конденсатор С2 электролитическим не рекомендуется.
Налаживание усилителя сводится к установке (подстроечным резистором R6)
нулевого напряжения на выходе усилителя и (резистором RI5) тока покоя
транзисторов оконечного каскада в пределах 250.. 300 мА.
В. ЖБАНОВ г. Ковров Владимирской обл.
ЛИТЕРАТУРА
1. Майоров А. Тепловой режим усилителя звуковой
частоты.- Радио, 1979. М- 10. с. 53 -55
2. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.:
Энергия. 1977.
3. Давыдов П. Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых
приборов.- М.: Энергия. 1967.
4. Зуев П. О динамических искажениях в транзисторных усилителях НЧ.-
Радио. 1978, № 8. с 33-35.
Не забываем!!!
Устройство защиты громкоговорителей 1
Устройство защиты громкоговорителей 2
На предыдущую страницу На главную страницу На следующую страницу