Усилитель мощности с однополярным питанием

Усилитель мощности с однополярным питанием

Как увеличить мощность легендарного транзисторного усилителя мощности JLH Джона Линсли Худа без потери естественности и прозрачности звучания?
Ответ не сложен — трепетно сберечь схемотехническую простоту УНЧ и озаботиться сохранением максимально короткой и неглубокой отрицательной обратной связи! Ну и естественным образом, обеспечить работу усилителя в режиме, максимально близком к классу А.
Озадачился этим вопросом и уважаемый Г. Попцов, опубликовавший в журнале Радиоконструктор №1-2016 схему аудио усилителя мощности на комплементарных транзисторах TIP112, TIP117, обеспечивающую 20Вт выходной мощности при однополярном напряжении питания +40В.
Ознакомимся со статьёй:

Однако, УМЗЧ «по быстрому» и относительно «без лишних деталей», можно сделать и без микросхем, используя мощные разноструктурные транзисторы Дарлингтона TIP112 и TIP117. Получится очень простой усилитель, всего на трех транзисторах, развивающий выходную мощность до 20W при питании от однополярного источника напряжением 40V.

1. Диапазон рабочих частот 30-200000 Гц.
2. КНИ в диапазоне рабочих частот — не более 0,2% при Pвых 10W на нагрузке 8 Ом.
3. Максимальная выходная мощность при КНИ не более 1% — 22W на нагрузке 8 Ом.
4. Максимальная выходная мощность возникает при уровне входного сигнала 1,2V.

Принципиальная схема УМЗЧ на TIP112 и TIP117 показана на рисунке. Входной сигнал поступает через цепь C1-R1 на первый каскад на транзисторе VT1. Сигнал с его коллектора поступает на выходной каскад на комплементарной паре мощных транзисторов Дарлингтона VT2 и VТ3, соответственно TIP112 и TIP117.
Для создания напряжения смещения на базах этих транзисторов с целью устранения искажений типа «ступенька» и термостабилизации включена между их базами цепь из диодов VD1-VD3 в прямом направлении по току и дополнительного корректирующего резистора R6.


Рис.1. Принципиальная схема УНЧ на транзисторах TIP112, TIP117 с выходной мощностью 20Вт.

ДЕТАЛИ И НАЛАЖИВАНИЕ

Напряжение смещения на базу транзистора VT1 поступает с выхода УНЧ, с точки соединения эмиттеров VT2 и VT3 через резисторы R3 и R4. В процессе налаживания подстройкой резистора R4 нужно на эмиттерах VТ2 и VT3 установить постоянное напряжение, равное половине напряжения питания.
Конденсатор С1 должен быть на напряжение не ниже 25V, С2 — не ниже 50V, С3 — не ниже 50V, С4 — не ниже 10V, С5 не ниже 60V, С6 — не ниже 60V. Выходные транзисторы должны быть установлены на радиаторах, обеспечивающих их эффективное охлаждение.

Попцов Г. РК-2016-01.

Схема получилась хорошей, однако есть нюансы:
Ясен хулахуп, что одной регулировкой уровня постоянного выходного напряжения нам обойтись не удастся — необходима установка тока покоя выходных транзисторов (VТ2 и VT3).
Как выяснилось, в данном схемотехническом построении существует оптимальная величина этого тока, при превышении либо понижении которого — резко увеличиваются нелинейные искажения. Причём ток этот необходимо устанавливать определённой величины для различных сопротивлений нагрузки:
1,5А — для 4-омной нагрузки,
1А — для 6-омной,
0,7А — для 8-омной.

Поэтому — вместо R6 следует впаять переменный резистор номиналом 330. 470 Ом и посредством него установить ток покоя выходных транзисторов на указанном уровне.

Ну, вроде и всё! А на следующей странице полюбуемся на схему ещё одного легендарного усилителя из 70-ых — УМЗЧ HITACHI с выходным каскадом на полевых транзисторах.

Усилители на микросхемах с однополярным питанием

преимущественно предназначены для усиления по мощности уровня входного аналогового сигнала при питании устройства от единственного батарейного или его заменяющего сетевого источника питания.

Такие усилители чаще всего встречаются в недорогих радиоэлектронных устройствах бытового назначения. При создании подобных микросхем отчетливо просматривается тенденция — использовать для окончательной сборки усилителя на мднтажной плате минимальное количество внешних навесных резисторов и конденсаторов.

Читайте также:  Кокосовая пальма в сочи

Микросхему LM386 широко используют в простых УНЧ с минимальным числом навесных элементов. Выходная мощность УНЧ на микросхемах LM386 не превышает 0,3 Вт при коэффициенте усиления до 40 дБ. Заметно повысить этот коэффициент удается за счет нестандартного исполнения цепи обратной связи, рис. 29.1, табл. 29.1 [29.1].

При подобном совершенствовании схемы следует помнить, что одновременно с повышением коэффициента усиления сужается полоса пропускания УНЧ, меняются и другие его параметры, снижается устойчивость усилителя.

Характеристики УНЧ на микросхеме LM386

при варьировании номинала резистора в цепи обратной связи Таблица 29.1

Коэффициент усиления, дБ

Простой УНЧ на основе микросхемы LM386 в типовом ее включении показан на рис. 29.2.

УНЧ на микросхеме ВА5386 — аналоге микросхемы LM386 (рис. 29.3) может работать на сопротивление нагрузки 4—50 Ом.

Рис. 29.4. Схема типового включения микросхемы КР1438УН2

Рис. 29.1.УНЧ на микросхеме LM386 с повышенным усилением

Рис. 29.3. Схема УНЧ на микросхеме ВА5386

Усилители мощности КР1438УН2, КБР1438УН2-4 (аналог LM386N, National Semiconductor) применяют в аппаратуре широкого предназначения [29.2]: радиоприемниках, плеерах, в блоках развертки телевизоров и т. д. Усилители работают в диапазоне питающих напряжений 4—12 В при токе покоя 8 мА (при 6 В) Выходная мощность при сопротивлении нагрузки 8 Ом и КНЛ на частоте 1 кГц до 10 % составляет 250 мВт (напряжение питания 6 В) и 500 мВт (9 В). Коэффициент усиления по напряжению в тех же условиях (при 6 В) 28 дБ при отключенных выводах 1 и 8,46 дБ — при подключении к этим выводам конденсатора емкостью 10 мкФ. В тех же условиях ширина полосы пропускания 300 и 60 кГц, соответственно. Входное сопротивление 50 кОм. Максимальные напряжения: входное ±0,4 В, питания — 15 В.

Типовая схема включения микросхемы КР1438УН2 показана на рис. 29.4 [29.2]. Коэффициент усиления устройства — 50.

УНЧ с квазирезонансным подъемом амплитудно-частотной характеристики на частоте 100 Гц показан на рис. 29.5 [29.2]. Коэффициент усиления на этой частоте — 25 дБ. Полоса пропускания на уровне -3 дБ 30—300 Гц.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Опубликовано: 6 марта, 2017 • Рубрика: Блоки питания

Казалось бы что может быть проще, подключить усилитель к блоку питания, и можно наслаждаться любимой музыкой?

Однако, если вспомнить, что усилитель по сути модулирует по закону входного сигнала напряжение источника питания, то станет ясно, что к вопросам проектирования и монтажа блока питания стоит подходить очень ответственно.

Иначе ошибки и просчёты допущенные при этом могут испортить (в плане звука) любой, даже самый качественный и дорогой усилитель.

Стабилизатор или фильтр?

Удивительно, но чаще всего для питания усилителей мощности используются простые схемы с трансформатором, выпрямителем и сглаживающим конденсатором. Хотя в большинстве электронных устройств сегодня используются стабилизированные блоки питания. Причина этого заключается в том, что дешевле и проще спроектировать усилитель, который бы имел высокий коэффициент подавления пульсаций по цепям питания, чем сделать относительно мощный стабилизатор. Сегодня уровень подавления пульсаций типового усилителя составляет порядка 60дБ для частоты 100Hz , что практически соответствует параметрам стабилизатора напряжения. Использование в усилительных каскадах источников постоянного тока, дифференциальных каскадов, раздельных фильтров в цепях питания каскадов и других схемотехнических приёмов позволяет достичь и ещё больших значений.

Питание выходных каскадов чаще всего делается нестабилизированным. Благодаря наличию в них 100% отрицательной обратной связи, единичному коэффициенту усиления, наличию ОООС, предотвращается проникновение на выход фона и пульсаций питающего напряжения.

Читайте также:  Постциркуляция насоса что это

Выходной каскад усилителя по сути является регулятором напряжения (питания), пока не войдет в режим клиппирования (ограничения). Тогда пульсации питающего напряжения (частотой 100 Гц) модулируют выходной сигнал, что звучит просто ужасно:

Если для усилителей с однополярным питанием происходит модуляция только верхней полуволны сигнала, то у усилителей с двухполярным питанием модулируются обе полуволны сигнала. Большинству усилителей свойственен этот эффект при больших сигналах (мощностях), но он никак не отражается в технических характеристиках. В хорошо спроектированном усилителе эффекта клиппирования не должно происходить.

Чтобы проверить свой усилитель (точнее блок питания своего усилителя), вы можете провести эксперимент. Подайте на вход усилителя сигнал частотой чуть выше слышимой вами. В моём случае достаточно 15 кГц :(. Повышайте амплитуду входного сигнала, пока усилитель не войдёт в клиппинг. В этом случае вы услышите в динамиках гул (100Гц). По его уровню можно оценить качество блока питания усилителя.

Предупреждение! Обязательно перед этим экспериментом отключите твиттер вышей акустической системы иначе он может выйти из строя.

Стабилизированный источник питания позволяет избежать этого эффекта и приводит к снижению искажений при длительных перегрузках. Однако, с учётом нестабильности напряжения сети, потери мощности на самом стабилизаторе составляют примерно 20%.

Другой способ ослабить эффект клиппирования это питание каскадов через отдельные RC-фильтры, что тоже несколько снижает мощность.

В серийной технике такое редко применяется, так как помимо снижения мощности, увеличивается ещё и стоимость изделия. Кроме того, применение стабилизатора в усилителях класса АВ может приводить к возбуждению усилителя из-за резонанса петель обратной связи усилителя и стабилизатора.

Потери мощности можно существенно сократить, если использовать современные импульсные блоки питания. Тем не менее, здесь всплывают другие проблемы: низкая надёжность (количество элементов в таком блоке питания существенно больше), высокая стоимость (при единичном и мелко-серийном производстве), высокий уровень ВЧ-помех.

Типовая схема блока питания для усилителя с выходной мощностью 50Вт представлена на рисунке:

Выходное напряжение за счёт сглаживающих конденсаторов больше выходного напряжения трансформатора примерно в 1,4 раза.

Пиковая мощность

Несмотря на указанные недостатки, при питании усилителя от нестабилизированного источника можно получить некоторый бонус — кратковременную (пиковую) мощность выше, чем мощность блока питания, за счёт большой ёмкости фильтрующих конденсаторов. Опыт показывает, что требуется минимум 2000мкФ на каждые 10Вт выходной мощности. За счёт этого эффекта можно сэкономить на трансформаторе питания — можно использовать менее мощный и, соответственно, дешёвый трансформатор. Имейте ввиду, что измерения на стационарном сигнале этого эффекта не выявят, он проявляется только при кратковременных пиках, то есть при прослушивании музыки.

Стабилизированный блок питания такого эффекта не даёт.

Параллельный или последовательный стабилизатор ?

Бытует мнение, что параллельные стабилизаторы лучше в аудиоустройствах, так как контур тока замыкается в локальной петле нагрузка-стабилизатор (исключается источник питания), как показано на рисунке:

Тот же эффект дает установка разделительного конденсатора на выходе. Но в этом случае ограничивает нижняя частота усиливаемого сигнала.

Автор использует стабилитроны для питания операционных усилителей. При этом можно организовать индикацию напряжения питания практически без дополнительных затрат (светодиодам не нужны гасящие резисторы):


Защитные резисторы

Каждому радиолюбителю наверняка знаком запах горелого резистора. Это запах горящего лака, эпоксидной смолы и. денег. Между тем, дешёвый резистор может спасти ваш усилитель!

Автор при первом включении усилителя в цепях питания вместо предохранителей устанавливает низкоомные (47-100 Ом) резисторы, которые в несколько раз дешевле предохранителей. Это не раз спасало дорогие элементы усилителя от ошибок в монтаже, неправильно выставленного тока покоя (регулятор поставили на максимум вместо минимума), перепутанной полярности питания и так далее.

Читайте также:  Что такое резистивная нагрузка

На фото показан усилитель, где монтажник перепутал транзисторы TIP3055 с TIP2955.

Транзисторы в итоге не пострадали. Все закончилось хорошо, но не для резисторов, и комнату проветривать пришлось.

Главное — падение напряжения

При проектировании печатных плат блоков питания и не только не надо забывать, что медь не является сверхпроводником. Особенно это важно для «земляных» (общих) проводников. Если они тонкие и образуют замкнутые контуры или длинные цепи, то в из-за протекающего тока на них получается падение напряжения и потенциал в разных точках оказывается разным.

Для минимизации разности потенциалов принято общий провод (землю) разводить в виде звезды — когда к каждому потребителю идёт свой проводник. Не стоит термин «звезда» понимать буквально. На фото показан пример такой правильной разводки общего провода :


В ламповых усилителях сопротивление анодной нагрузки каскадов довольно высокое, порядка 4кОм и выше, а токи не очень велики, поэтому сопротивление проводников не играет существенной роли. В транзисторных усилителях сопротивления каскадов существенно ниже (нагрузка вообще имеет сопротивление 4Ом), а токи гораздо выше, чем в ламповых усилителях. Поэтому влияние проводников тут может быть весьма существенным.

Сопротивление дорожки на печатной плате в шесть раз выше, чем сопротивление отрезка медного провода такой же длинны. Диаметр взят 0,71мм, это типичный провод, который используется при монтаже ламповых усилителей.

0.036 Ом в отличие от 0.0064 Ом! Учитывая, что токи в выходных каскадах транзисторных усилителей могут в тысячу раз превышать ток в ламповом усилителе, получаем, что падение напряжения на проводниках может быть в 6000! раз больше. Возможно, это одна из причин, почему транзисторные усилители звучат хуже ламповых. Это также объясняет, почему собранные на печатных платах ламповые усилители часто звучат хуже прототипа, собранного навесным монтажом.

Не стоит забывать закон Ома! Для снижения сопротивления печатных проводников можно использовать разные приёмы. Например, покрыть дорожку толстым слоем олова или припаять вдоль дорожки лужёную толстую проволоку. Варианты показаны на фото:

Импульсы заряда

Для предотвращения проникновения фона сети в усилитель нужно принять меры от проникновения импульсов заряда фильтрующих конденсаторов в усилитель. Для этого дорожки от выпрямителя должны идти непосредственно на конденсаторы фильтра. По ним циркулируют мощные импульсы зарядного тока, поэтому ничего другого к ним подключать нельзя. цепи питания усилителя должны подключаться к выводам конденсаторов фильтра.

Правильное подключение (монтаж) блока питания для усилителя с однополярным питанием показан на рисунке:

Увеличение по клику

На рисунке показан вариант печатной платы:

Увеличение по клику

Автору до сих пор попадаются усилители, у которых высокий уровень фона вызван неправильной разводкой земли и подключением дорожек от разных «потребителей» к выходам выпрямителя.

Пульсации

Большинство нестабилизированных источников питания имеют после выпрямителя только один сглаживающий конденсатор (или несколько включенных параллельно). Для улучшения качества питания можно использовать простой трюк: разбить одну ёмкость на две, а между ними включить резистор небольшого номинала 0,2-1 Ом. При этом даже две ёмкости меньшего номинала могут оказаться дешевле одной большой.

Это дает более плавные пульсации выходного напряжения с меньшим уровнем гармоник:


При больших токах падение напряжения на резисторе может стать существенным. Для его ограничения до 0,7В параллельно резистору можно включить мощный диод. В этом случае, правда, на пиках сигнала, когда диод будет открываться, пульсации выходного напряжения опять станут «жесткими».

Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»

Автор: Джек Розман

Вольный перевод: Главного редактора «РадиоГазеты»

Ссылка на основную публикацию
Укв ип 2 переделка на фм диапазон
Потратив один выходной, я искал способ расширить перестройку этого блока на ВЕСЬ ФМ диапазон, не вытачивая более мощный латунный сердечник...
Убрать регулятор громкости наушников
Наушники состоят из провода, штекера и двух динамиков. Дополнительно гарнитура комплектуется микрофоном и регулятором громкости. Любой из этих элементов со...
Укв ип 2 переделка на фм диапазон
Потратив один выходной, я искал способ расширить перестройку этого блока на ВЕСЬ ФМ диапазон, не вытачивая более мощный латунный сердечник...
Усилитель мощности с однополярным питанием
Как увеличить мощность легендарного транзисторного усилителя мощности JLH Джона Линсли Худа без потери естественности и прозрачности звучания? Ответ не сложен...
Adblock detector