Содержание
Транзисторный усилитель класса А своими руками / Хабр
На Хабре уже были публикации о DIY-ламповых усилителях, которые было очень интересно читать. Спору нет, звук у них чудесный, но для повседневного использования проще использовать устройство на транзисторах. Транзисторы удобнее, поскольку не требуют прогрева перед работой и долговечнее. Да и не каждый рискнёт начинать ламповую сагу с анодными потенциалами под 400 В, а трансформаторы под транзисторные пару десятков вольт намного безопаснее и просто доступнее.
В качестве схемы для воспроизведения я выбрал схему от John Linsley Hood 1969 года, взяв авторские параметры в расчёте на импеданс своих колонок 8 Ом.
Классическая схема от британского инженера, опубликованная почти 50 лет назад, до сих пор является одной из самых воспроизводимых и собирает о себе исключительно положительные отзывы. Этому есть множество объяснений:
— минимальное количество элементов упрощает монтаж. Также считается, что чем проще конструкция, тем лучше звук;
— несмотря на то, что выходных транзисторов два, их не надо перебирать в комплементарные пары;
— выходных 10 Ватт с запасом хватает для обычных человеческих жилищ, а входная чувствительность 0. 5-1 Вольт очень хорошо согласуется с выходом большинства звуковых карт или проигрывателей;
— класс А — он и в Африке класс А, если мы говорим о хорошем звучании. О сравнении с другими классами будет чуть ниже.
Внутренний дизайн
Усилитель начинается с питания. Разделение двух каналов для стерео правильнее всего вести уже с двух разных трансформаторов, но я ограничился одним трансформатором с двумя вторичными обмотками. После этих обмоток каждый канал существует сам по себе, поэтому надо не забывать умножать на два всё упомянутое снизу. На макетке делаем мосты на диодах Шоттки для выпрямителя.
Можно и на обычных диодах или даже готовых мостах, но тогда их необходимо шунтировать конденсаторами, да и падение напряжения на них больше. После мостов идут CRC-фильтры из двух конденсаторов по 33000 мкф и между ними резистор 0.75 Ом. Если взять меньше и ёмкость, и резистор, то CRC-фильтр станет дешевле и меньше греться, но увеличатся пульсации, что не комильфо.
Данные параметры, имхо, являются разумными с точки зрения цена-эффект. Резистор в фильтр нужен мощный цементный, при токе покоя до 2А он будет рассеивать 3 Вт тепла, поэтому лучше взять с запасом на 5-10 Вт. Остальным резисторам в схеме мощности 2 Вт будет вполне достаточно.
Далее переходим к самой плате усилителя. В интернет-магазинах продаётся куча готовых китов, однако не меньше и жалоб на качество китайских компонентов или безграмотных разводок на платах. Поэтому лучше самому, под свою же «рассыпуху». Я сделал оба канала на единой макетке, чтобы потом прикрепить её ко дну корпуса. Запуск с тестовыми элементами:
Всё, кроме выходных транзисторов Tr1/Tr2, находится на самой плате. Выходные транзисторы монтируются на радиаторах, об этом чуть ниже. К авторской схеме из оригинальной статьи нужно сделать такие ремарки:
— не всё нужно сразу впаивать намертво. Резисторы R1, R2 и R6 лучше сначала поставить подстроечными, после всех регулировок выпаять, измерить их сопротивление и припаять окончательные постоянные резисторы с аналогичным сопротивлением.
Настройка сводится к следующим операциям. Сначала с помощью R6 выставляется, чтобы напряжение между X и нулём было ровно половиной от напряжения +V и нулём. В одном из каналов мне не хватило 100 кОм, так что лучше брать эти подстроечники с запасом. Затем с помощью R1 и R2 (сохраняя их примерное соотношение!) выставляется ток покоя – ставим тестер на измерение постоянного тока и измеряем этот самый ток в точке входа плюса питания. Мне пришлось ощутимо снизить сопротивление обоих резисторов для получения нужного тока покоя. Ток покоя усилителя в классе А максимальный и по сути, в отсутствие входного сигнала, весь уходит в тепловую энергию. Для 8-омных колонок этот ток, по рекомендации автора, должен быть 1.2 А при напряжении 27 Вольт, что означает 32.4 Ватта тепла на каждый канал. Поскольку выставление тока может занять несколько минут, то выходные транзисторы должны быть уже на охлаждающих радиаторах, иначе они быстро перегреются и умрут. Ибо греются в основном они.
— не исключено, что в порядке эксперимента захочется сравнить звучание разных транзисторов, поэтому для них тоже можно оставить возможность удобной замены.
Я попробовал на входе 2N3906, КТ361 и BC557C, была небольшая разница в пользу последнего. В предвыходных пробовались КТ630, BD139 и КТ801, остановился на импортных. Хотя все вышеперечисленные транзисторы очень хороши, и разница может быть скорее субъективной. На выходе я поставил сразу 2N3055 (ST Microelectronics), поскольку они нравятся многим.
— при регулировке и занижении сопротивления усилителя может вырасти частота среза НЧ, поэтому для конденсатора на входе лучше использовать не 0.5 мкф, а 1 или даже 2 мкф в полимерной плёнке. По Сети ещё гуляет русская картинка-схема «Ультралинейный усилитель класса А», где этот конденсатор вообще предложен как 0.1 мкф, что чревато срезом всех басов под 90 Гц:
— пишут, что эта схема не склонна к самовозбуждению, но на всякий случай между точкой Х и землёй ставится цепь Цобеля: R 10 Ом + С 0.1 мкф.
— предохранители, их можно и нужно ставить как на трансформатор, так и на силовой вход схемы.
— очень уместным будет использование термопасты для максимального контакта между транзистором и радиатором.
Слесарно-столярное
Теперь о традиционно самой сложной части в DIY — корпусе. Габариты корпуса задаются радиаторами, а они в классе А должны быть большими, помним про 30 Ватт тепла с каждой стороны. Сначала я недоучёл эту мощность и сделал корпус со средненькими радиаторами 800см² на канал. Однако при выставленном токе покоя 1.2А они нагрелись до 100°С уже за 5 минут, и стало ясно, что нужно нечто помощнее. То есть нужно либо ставить радиаторы побольше, либо использовать кулеры. Делать квадрокоптер мне не хотелось, поэтому были куплены гигантские красавцы HS 135-250 площадью 2500 см² на каждый транзистор. Как показала практика, такая мера оказалась немного избыточной, зато теперь усилитель спокойно можно трогать руками – температура равна лишь 40°С даже в режиме покоя. Некоторой проблемой стало сверление отверстий в радиаторах под крепления и транзисторы – изначально купленные китайские свёрла по металлу сверлили крайне медленно, на каждую дырку уходило бы не менее получаса.
На помощь пришли кобальтовые свёрла с углом заточки 135° от известного немецкого производителя — каждое отверстие проходится за несколько секунд!
Сам корпус я сделал из оргстекла. Заказываем у стекольщиков сразу нарезанные прямоугольники, выполняем в них необходимые отверстия для креплений и красим с обратной стороны чёрной краской.
Покрашенное с обратной стороны оргстекло смотрится очень красиво. Теперь остаётся только всё собрать и наслаждаться музы… ах да, при окончательной сборке ещё важно для минимизации фона правильно развести землю. Как было выяснено за десятилетия до нас, C3 нужно присоединять к сигнальной земле, т.е. к минусу входа-входа, а все остальные минуса можно отправить на «звезду» возле конденсаторов фильтра. Если всё сделано правильно, то никакого фона не расслышать, даже если на максимальной громкости поднести ухо к колонке. Ещё одна «земляная» особенность, которая характерна для звуковых карт, не развязанных с компьютером гальванически – это помехи с материнки, которые могут пролезть через USB и RCA.
Судя по интернету, проблема встречается часто: в колонках можно услышать звуки работы HDD, принтера, мышки и фон БП системника. В таком случае проще всего разорвать земляную петлю, заклеив изолентой заземление на вилке усилителя. Опасаться тут нечего, т.к. останется второй контур заземления через компьютер.
Регулятор громкости на усилителе я не стал делать, поскольку достать какой-нибудь качественный ALPS не удалось, а шуршание китайских потенциометров мне не понравилось. Вместо него был установлен обычный резистор 47 кОм между «землёй» и «сигналом» входа. Тем более регулятор у внешней звуковой карты всегда под рукой, да и в каждой программе тоже есть ползунок. Регулятора громкости нет только у винилового проигрывателя, поэтому для его прослушивания я приделал внешний потенциометр к соединительному кабелю.
Я угадаю этот контейнер за 5 секунд…
Наконец, можно приступать к прослушиванию. В качестве источника звука используется Foobar2000 → ASIO → внешняя Asus Xonar U7.
Колонки Microlab Pro3. Главное достоинство этих колонок — это отдельный блок собственного усилителя на микросхеме LM4766, который можно сразу убрать куда-то подальше. Намного интереснее с этой акустикой звучали усилок от мини-системы Panasonic с гордой надписью Hi-Fi или усилитель советского проигрывателя Вега-109. Оба вышеупомянутых аппарата работают в классе АВ. Представленный в статье JLH переиграл всех вышеперечисленных товарищей в одну калитку, по результатам слепого теста для 3 человек. Хотя разницу было слышно невооружённым ухом и без всяких тестов – звук явно детальнее и прозрачнее. Весьма легко, например, услышать различие между MP3 256kbps и FLAC. Раньше я думал, что эффект lossless больше как плацебо, но теперь мнение изменилось. Аналогичным образом гораздо приятнее стало слушать нескомпрессованые от loudness war файлы — dynamic range меньше 5 Дб вообще не айс. Линсли-Худ стоит затрат времени и денег, ибо аналогичный брендовый усилок будет стоить намного дороже.
Материальные затраты
Трансформатор 2200 р.
Выходные транзисторы (6 шт. с запасом) 900 р.
Конденсаторы фильтра (4 шт) 2700 р.
«Рассыпуха» (резисторы, мелкие конденсаторы и транзисторы, диоды) ~ 2000 р.
Радиаторы 1800 р.
Оргстекло 650 р.
Краска 250 р.
Разъёмы 600 р.
Платы, провода, серебряный припой и пр. ~1000 р.
ИТОГО ~12100 р.
Схема усилителя класса A » Вот схема!
Усилители класса «А» обеспечивают наиболее линейное усиления с минимальными искажениями, объясняется это тем, что в классе «А» транзистор работает с большим током покоя, при этом он постоянно открыт, в результате поступающий на вход сигнал усиливается в линейном участке характеристики. При этом обеспечивается полностью симметричное усиление обеих полуволн, без отсечки и коммутационных искажений.
Но чистый класс А в конструкциях усилителей встречается редко. Дело в том, что работа с высокими коллекторными токами неизбежно ведет к уменьшению КПД усилителя и трудностям с отводом тепла от выходных транзисторов.
К тому же необходимо обеспечить стабилизацию тока покоя, увеличение которого в процессе работы может вызвать выход из строя транзисторов выходного каскада.
Характеристики усилителя
1. Номинальное входное напряжение 1 В.
2. Номинальная выходная мощность 12 Вт.
3. Сопротивление нагрузки 8 ом.
4 Диапазон частот при неравномерности не более 3 дб — 5…160000 Гц
5. КНИ в диапазоне частот 5…20000 Гц не более 0.015%
6. Уровень шума не более -103дб
7. Скорость нарастания выходного напряжения 10 В/мкс
Данный усилитель имеет небольшую выходную мощность и следящую систему стабилизации тока покоя выходных транзисторов. Однако широкий диапазон частот и отсутствие коммутационных искажений обеспечивают качество звучания, близкое к характеристикам ламповых усилителей.
Принципиальная схема показана на рисунке 1. Особенность схемы в использовании в каждом плече составного транзистора и операционного усилителя. Оба плеча охвачены ООС.
Для снижения искажений коэффициенты усиления обеих плеч должны быть равными, что обеспечивается соотношением R2/R1=R3/R4.
Ток покоя стабилизируется следящим устройством на операционном усилителе А4. Работает система так. Любое колебание тока, протекающего через выходные транзисторы, вызывает изменение падения напряжения на резисторах R22 и R23 которое усиливается этим ОУ и поступает на вход ОУ А2, и через инвертор A3 на ОУ А1 В результате режим работы плеч компенсируется.
Для исключение влияния системы на изменение токов транзисторов в процессе усиления сигнала служат цепи R19C3 и R20C11, которые представляют собой фильтры нижних частот, пропускающие на входы А4 только самые низкочастотные изменения.
Значение тока покоя устанавливается резистором R26, затем он автоматически поддерживается на этом уровне.
Питается усилитель мощности от источника, схема которого показана на рисунке 2. Он вырабатывает двухполярное нестабилизированное напряжение +-15В для выходных транзисторов и стабилизированное двухполярное +/- 18В для операционных усилителей и системы стабилизации тока покоя.
Для трансформатора используется каркас с сердечником от силового трансформатора ТС 180 от старых ламповых ч/б телевизоров. Сетевая обмотка 1-1″ содержит 400+400 витков провода ПЭВ-2 0,61, обмотки 3-3′ и 5-5′ одинаковые содержат по 22+22 витков провода ПЭВ-2 1,08, обмотки 11-11′ и 13-13′ тоже одинаковые, по 45+45 витков провода ПЭВ-2 0,31.
Роль радиаторов для выходных транзисторов выполняют боковые панели корпуса размерами 80×320мм, сделанные в виде ребристых радиаторов.
Ток покоя выходного каскада усилителя 400 mА, устанавливается резистором R26.
6 простых схем усилителей класса А
В этом посте обсуждаются 6 простых и дешевых схем усилителей мощности класса А, которые можно использовать в любых малогабаритных аудиоусилителях.
Автор: Dhrubajyoti Biswas
1) Усилитель с нулевой отрицательной обратной связью. Усилитель будет несимметричным и класса А.
Для начала давайте сначала составим схему предлагаемого усилителя, как указано в разделе:
Как построить схему
Для сборки схемы нам понадобятся: МОП-транзистор, несколько конденсаторов и резисторов и прочный блок питания.
питание, которое должно быть должным образом отфильтровано с использованием больших фильтрующих конденсаторов. Усилитель, который мы собираем, построен на основе устройства 2SK1058 N-Channel MOSFET от Hitachi. Схема выводов показана ниже:
Конденсаторы, которые мы использовали в этом эксперименте, принадлежат Sprague. Он используется для соединения входа и выхода с большим электролитическим конденсатором и полиэфирным обходным конденсатором 10 мкФ. Для управления нагрузкой мы использовали четыре безиндуктивных проволочных резистора мощностью 10 Вт.
Однако для достижения общего сопротивления 15 Ом резисторы соединяются последовательно по два, что составляет 30 Ом, и, кроме того, наборы устанавливаются параллельно. Обратите внимание, что в режиме ожидания устройство может нагреваться и может загореться, поэтому крайне важно соблюдать осторожность.
Класс-A никогда не может быть идеальным вариантом для конструкции высокоэффективного усилителя, но поскольку мы применяем эту идею в этой установке, нам пришлось использовать мощность более 20 Вт для создания скромного звука мощностью 4,8 Вт.
Радиатор, используемый для MOSFET, имел температуру 0,784 °C/Вт.
Источник питания
Источником питания, используемым для этой схемы усилителя мощности класса A с одним полевым МОП-транзистором, является трансформатор EI 18 В переменного тока и 160 ВА, подключенный к мостовому выпрямителю на 25 А для выработки постоянного напряжения 24 В.
Для фильтрации и сглаживания мощности мы использовали конденсаторы 10000 мкФ, а Хаммонд сделал дроссель 10 мГн на 5 ампер с настройкой фильтра pi [Cap — Choke — Cap]. Смещение было через потенциометр 100K вместе с резистором 1M.
Следует соблюдать осторожность при регулировке потенциометра только до тех пор, пока половина постоянного тока проходит через нагрузочные резисторы и полевой МОП-транзистор.
2) Самый простой усилитель класса A
IRF511 (Q1) имеет схему подключения самого простого аудиоусилителя класса A, как показано на рисунке ниже. При нулевом смещении затвора транзистор Q1 действует подобно выключателю, находящемуся в выключенном состоянии.
В этом состоянии ток не течет от нагрузочного резистора R2. По сути, напряжение на Q1 и нагрузочном резисторе должно быть одинаковым для работы усилителей класса А.
Потенциометр 100K (R3) вместе с фиксированным резистором 1M (R1) составляют простую регулируемую схему смещения затвора. Если мы подключим вольтметр к стоку Q1 и земле цепи, и мы точно настроим R3, чтобы получить показания счетчика, равные половине напряжения источника питания.
Практически любой резистор можно использовать вместо R2 при условии, что максимальный ток и номинальная мощность полевого транзистора не превышаются. Сопротивление резистора от 22 до 100 Ом может быть хорошим выбором для тестирования. Если используется сильноточный источник питания, обязательно используйте соответствующий радиатор для полевого транзистора.
3) Усилитель класса А с использованием биполярных транзисторов
В предыдущих абзацах мы узнали, как построить усилитель класса А с использованием MOSFET, теперь мы узнаем, как можно построить простую схему усилителя класса А, используя только биполярные транзисторы или биполярные транзисторы.
Когда выходная мощность, гармоники, искажения, частотная характеристика не считаются критическими для усилителя, например, в небольших радиоприемниках, предпочтительным выбором становится применение усилителя класса «А». Схема, показанная ниже, использует всего 3 транзистора, может усиливаться с помощью выходного трансформатора и обеспечивает выходную мощность в диапазоне 100-200 мВт. Он работает от батареи с напряжением до 4,5 В.
RV1 работает как регулятор громкости и подключается к каскаду усилителя с помощью C1. Обсуждаемые ниже три стадии напрямую связаны между собой. Смещение базы Q1 осуществляется резисторами R2 и R5. Резистор R1 и транзистор Q1 ведут себя как делитель потенциала смещения для базы Q2, и аналогично резистор R3 и транзистор Q2 выполняют функцию базы смещения для транзистора Q3.
Резистор R2 и резистор R5 дополнительно работают как секция общей отрицательной обратной связи, улучшая частотную характеристику этой схемы усилителя BJT класса A, а также сводя к минимуму ее искажения.
Соотношение усиления и качества определяется соответствующим выбором значений R6 и C3.
C3 сконфигурирован как развязывающий конденсатор, а значение R6 можно найти экспериментально. (Наименьшее возможное значение R6 не должно быть ниже 22k).
4) Цепь усилителя мощности класса А
Основным преимуществом усилителей класса А является то, что они работают без перекрестных искажений. Наряду с этим существенным преимуществом мы находим большой недостаток вечно горячих радиаторов и блоков питания большой мощности.
Показанная выше схема имеет ряд хороших характеристик и способна обеспечить 5 Вт подлинного звука класса А при нагрузке 8 Ом. Q1 и Q2 в сочетании с подключенными частями работают как первоклассный усилитель напряжения со всесторонней обратной связью по переменному и постоянному току, подаваемой от коллектора Q2 через резистор R6 к эмиттеру Q1.
Выходной каскад действительно включает транзисторы Q6 и Q7, сконфигурированные как пара Дарлингтона с эмиттерным повторителем.
Эти транзисторы управляются микросхемой IC1, которая представляет собой операционный усилитель 741. Эти BJT также можно увидеть включенными в контур обратной связи 741. Эти три элемента вместе составляют почти идеальный выходной каскад, имеющий входное сопротивление в несколько МОм и полосу пропускания от постоянного тока до более 100 кГц.
Ток покоя обеспечивается Источником постоянного тока, образованным транзисторами Q3, Q4, Q5, R9и R10 определяют ток покоя цепи. Использование источника постоянного тока в этой конструкции усилителя класса А надлежащим образом изолирует выходной каскад от флуктуаций и пульсаций питающей сети.
Используя указанные номиналы, схема получает полосу пропускания в диапазоне 10 Гц — 30 кГц — 3 дБ с искажением, намного меньшим, чем 0,1% непосредственно перед отсечением. Схема также предлагает входное сопротивление 1,5 МОм и чувствительность 180 мВ для полной выходной мощности.
Транзисторы с Q4 по Q7 должны быть присоединены к соответствующему радиатору, который может иметь размеры 5 на 4 дюйма и должен быть ребристого типа.
Эти радиаторы следует устанавливать вертикально и располагать таким образом, чтобы они подвергались достаточному потоку воздуха.
5) Еще одна схема усилителя хорошего класса
Проблема схем усилителей класса A заключается в их меньшей эффективности по сравнению с каскадами класса B. С этой конкретной компоновкой и применением источника питания 44 В ток покоя будет составлять около 960 мА.
Выходная мощность около 15 Вт будет подаваться непосредственно на громкоговоритель с сопротивлением 8 Ом. Можно ожидать, что гармонические искажения будут ниже 0,1%.
Входная чувствительность этой конструкции может составлять около 360 мВ по отношению к выходной мощности, она может составлять около 15 Вт на динамик 8 Ом. Входное сопротивление будет примерно 150 кОм.
Для предусилителей с импедансом источника 1 кОм емкость конденсатора C2 будет 6n8, для импеданса источника 2 кОм, вероятно, будет 3n3. Этот усилитель класса А обеспечивает отличную защиту от короткого замыкания; если вы обнаружите короткое замыкание, он будет потреблять примерно 1,6 А.
Потенциометр P10 используется для управления смещением выходного напряжения отсутствия сигнала на пересечении частей R18/R19 (около 21 В).
Каждый отдельный выходной транзистор (T6 и T7) должен быть установлен над большим радиатором, тепловое сопротивление не должно быть ниже 3,3°C/Вт; транзисторы драйвера T4 и T5 потребуют радиатора зажимного типа.
6) 5-ваттная схема усилителя класса А
Эта схема усилителя класса А выдает среднеквадратичное значение 5 Вт при нагрузке 8 Ом, однако для нее требуется источник питания от 22 до 24 вольт при 1 ампер. В результате максимальная эффективность составляет около 19 %, что ниже 1/3 эффективности типичных конфигураций класса B.
Q1 используется во входном каскаде с общим эмиттером и напрямую связан с выходным каскадом через буферный транзистор эмиттерного повторителя Q2. Последнее необходимо из-за довольно большого управляющего тока выходного каскада. Выходной транзистор Q5 используется в режиме с общим эмиттером.
Его коллекторная нагрузка создается транзисторами Q3, Q4 и R7, и он является источником постоянного тока. Последний фиксирует выходной ток схемы чуть ниже 1 ампера.
Нагрузка генератора постоянного тока имеет более высокий КПД и линейность по сравнению с обычным нагрузочным резистором. При постоянном токе R3 обеспечивает почти 100-процентную отрицательную обратную связь с усилителем, что приводит к единичному усилению напряжения. R1 и R2 смещают вход на 1/2 напряжения питания, что аналогично смещает выход на желаемый уровень 1/2 напряжения питания.
На звуковых частотах R5 и C3 устраняют некоторую обратную связь, обеспечивая максимальную выходную чувствительность схемы около 380 мВ (среднеквадратичное значение). C1 и C5 обеспечивают блокировку по постоянному току на входе и выходе соответственно, а C2 и C4 обеспечивают стабильность. Q4 и Q5 необходимо разместить на большом радиаторе.
Наименьшая двухтранзисторная конструкция
Эта простая двухтранзисторная схема усилителя класса А работает с использованием Tr1 в качестве каскада драйвера с общим эмиттером, сконфигурированного для непосредственного управления Tr2; выходной каскад с общим истоком.
R1–R3 расположены так, чтобы смещать цепь, чтобы обеспечить ток покоя примерно 25 мА с помощью LS1 и Tr2. Входной сигнал изменяет этот ток по обе стороны от значения покоя, обеспечивая требуемую работу БИС громкоговорителя.
Выходной ток колеблется от 0 до примерно 50 мА при пиковом выходе, и в результате типичное потребление тока остается постоянным на уровне 25 мА и не увеличивается при более высоких выходных уровнях, например, в случае усилителя класса B. Выходная мощность этой схемы едва достигает среднеквадратичного значения 23 мВт, тем не менее ее достаточно для нескольких приложений (маленькие радиоприемники, переговорные устройства и т. д.).
Схема обеспечивает довольно приличное качество звука; основным ограничением качества звука являются уровни искажений и ограниченная частотная характеристика используемого крошечного громкоговорителя с высоким импедансом. Входной сигнал со среднеквадратичным значением всего около 80 мВ необходим для обеспечения оптимального выходного сигнала, однако это значение можно до некоторой степени изменить, отрегулировав значение резистора R5.
Изменение значения R5 приводит к обратно пропорциональному изменению входной чувствительности схемы. В этой схеме не рекомендуется использовать громкоговоритель с низким импедансом, так как это может привести к прохождению большого тока через Tr2 и громкоговоритель, что, скорее всего, приведет к выходу из строя одного из них или обоих.
Улучшение вышеупомянутой конструкции
Вышеприведенная схема имеет небольшой недостаток из-за наличия длительного тока в громкоговорителе, из-за чего диффузор никогда не перемещается вперед и назад вокруг своего обычного положения покоя, а постоянно смещается в одну сторону или другой. В результате этого могут пострадать характеристики громкоговорителя.
Следующая улучшенная конструкция устраняет указанную выше проблему.
Простой усилитель класса А
Простой усилитель класса А
| The Audio Pages |
| Elliott Sound Products | Простой усилитель класса А |
На основе оригинальной статьи Джона Линсли-Худа
Главный указатель
Указатель статей
Зона усилителя класса А
Авторские права на эту статью принадлежат Mr.
Linsley Hood and Electronics World (ранее Wireless World). Он перепечатан здесь в качестве службы для читателей, и ESP не претендует на какие-либо интеллектуальные права, за исключением редакционных комментариев. Он воспроизведен с использованием оригинального текста (или того, что мне удалось раздобыть), а описания принадлежат автору (исключая примечания редактора).
Следует отметить, что статья была первоначально опубликована где-то в 1969 году, и что транзисторы уже устарели. Большая часть описательного текста больше не действительна для новых конструкций, и комментарии к усилителям класса AB сегодня могут быть неприменимы.
Оригинальные статьи Джона Линсли Худа и другие материалы можно найти на сайте усилителей класса A (TCAAS).
Простой усилитель класса A
Конструкция A мощностью 10 Вт дает субъективно лучшие результаты, чем транзисторные усилители класса B
, Дж. Л. Линсли Худ, M.I.E.E.
* Примечания редактора Рода Эллиотта
За последние несколько лет был опубликован ряд отличных проектов бытовых аудиоусилителей.
Однако некоторые из этих конструкций в настоящее время устарели из-за изменений в доступности компонентов, а другие предназначены для обеспечения уровней выходной мощности, превышающих требования обычной жилой комнаты. Кроме того, большинство конструкций имеют тенденцию быть довольно сложными.
В сложившихся обстоятельствах казалось целесообразным рассмотреть, насколько простой может быть конструкция, обеспечивающая достаточную выходную мощность вместе с безупречным стандартом производительности, и результатом этого исследования стала настоящая конструкция.
Выходная мощность и искажения
Ввиду огромной популярности лампового усилителя Mullard «5-10» казалось, что 10-ваттной мощности будет достаточно для обычного использования; действительно, когда два таких усилителя используются в качестве стереопары, общий выходной звук на полной мощности может быть весьма поразительным при использовании достаточно чувствительных динамиков.
* Для сегодняшних спикеров и ожиданий это явно не так.
10 Вт, вероятно, будет достаточно для твитеров в системе с триампером, однако,
и это причина для публикации этой схемы.
10 Вт, вероятно, будет достаточно для твитеров в системе с триампером, однако, Первоначальные стандарты гармонических искажений для звука были изложены Д. Т. Уильямсоном в серии статей, опубликованных в Wireless World в 1947 и 1949 годах; и предложенный им стандарт менее 0,1% общих гармонических искажений при полной номинальной выходной мощности был общепринятым в качестве целевого показателя для высококачественных усилителей мощности звука. Поскольку основная проблема при проектировании ламповых усилителей звука заключается в сложности получения адекватных характеристик от выходного трансформатора, а современные технологии транзисторных схем позволяют проектировать усилители мощности без выходных трансформаторов, казалось возможным стремиться к несколько более высокому стандарту. , 0,05% общих гармонических искажений при полной выходной мощности в диапазоне 30 Гц-20 кГц. Это также означает, что выходная мощность будет постоянной в этом диапазоне частот.
Схема
Первая известная автору схема усилителя, в которой использовалась бестрансформаторная транзисторная конструкция для обеспечения стандарта производительности, приближающегося к усилителю «Уильямсон», была опубликована в Wireless World в 1961 году Тоби и Динсдейлом. В нем использовался выходной каскад класса B с последовательно соединенными транзисторами с квазикомплементарной симметрией. Последующие высококачественные транзисторные усилители мощности в значительной степени следовали принципам проектирования, изложенным в этой статье.
Основным преимуществом усилителей этого типа является то, что нормальная рассеиваемая статическая мощность очень мала, а общая эффективность преобразования мощности высока. К сожалению, существуют также некоторые неотъемлемые недостатки из-за внутренней несхожести отклика двух половин двухтактной пары (если комплементарные транзисторы используются в асимметричной схеме) вместе с некоторым перекрестным искажением из-за I c /V b характеристики.
Многое было сделано, особенно Бейли, для минимизации последнего.
Дополнительная характеристика выходного каскада класса B заключается в том, что ток, потребляемый выходными транзисторами, увеличивается вместе с выходным сигналом, и это может снизить выходное напряжение и ухудшить сглаживание источника питания, если это не будет хорошо спроектировано. Кроме того, из-за увеличения тока возбуждения с выходной мощностью переходная перегрузка может привести выходные транзисторы в состояние теплового разгона, особенно при реактивных нагрузках, если не используется подходящая схема защиты. Эти требования в совокупности усложнили компоновку схемы, и хорошо спроектированный усилитель мощности класса B с малыми искажениями уже не является простым и недорогим в изготовлении.
* Упомянутый тепловой разгон теперь известен как вторичный пробой, при котором транзистор страдает от локального нагрева
силиконовая матрица. Этот эффект очень быстрый и может привести к почти мгновенному разрушению транзистора.
предпочитают многие разработчики усилителей.
Это одна из причин, по которой МОП-транзисторыАльтернативный подход к конструкции транзисторного усилителя мощности, сочетающий хорошие характеристики с простой конструкцией, заключается в использовании выходных транзисторов в конфигурации класса А. Это позволяет избежать проблем асимметрии в квазикомплементарных схемах, теплового разгона при переходной перегрузке, перекрестных искажений и зависящих от сигнала изменений потребляемого тока источника питания. Однако она менее эффективна, чем схема класса B, и выходные транзисторы должны быть установлены на больших радиаторах.
Базовая конструкция класса А состоит из одного транзистора с подходящей нагрузкой коллектора. использование резистора, как на рис. 1(а), было бы практичным решением, но наилучший КПД преобразования мощности составил бы около 12 %. Дроссель НЧ, как показано на рис. 1(b), дал бы намного большую эффективность, но правильно спроектированный компонент был бы громоздким и дорогим и лишил бы многих преимуществ бестрансформаторной конструкции.
Использование второго аналогичного транзистора в качестве коллекторной нагрузки, как показано на рис. 1(с), было бы более удобным с точки зрения размера и стоимости и позволило бы эффективно управлять нагрузкой в двухтактном режиме, если входы из двух транзисторов были подходящей величины и противоположны по фазе. Это требование может быть выполнено, если драйверный транзистор подключен так, как показано на рис. 2.9.0003
Этот метод подключения также отвечает одному из наиболее важных требований к усилителю с низким уровнем искажений: базовая линейность усилителя должна быть хорошей даже при отсутствии обратной связи. Этому способствуют несколько факторов. Существует тенденция нелинейности Ic/Vb характеристик выходных транзисторов к устранению, так как в той части цикла, когда один транзистор приближается к отсечке, другой полностью открыт. Существует мера внутренней обратной связи вокруг контура Tr1 Tr2 Tr3 из-за влияния характеристик базового импеданса Tr1 на выходной ток Tr3.
Кроме того, управляющий транзистор Tr3, который должен обеспечивать большой размах напряжения, работает в условиях, способствующих снижению гармонических искажений: низкий выходной импеданс нагрузки, высокий входной импеданс.
* Потенциально полезным улучшением этой схемы является добавление резистора 0,1 Ом в цепь эмиттера Tr1. Этот
применяет локальную обратную связь ко всему каскаду усиления, обеспечивая значительное снижение искажений. Если используется, это должна быть проволочная обмотка мощностью 5 Вт.
тип, чтобы справиться с текущим.
* Верхний транзистор (Tr2) работает как источник тока, выходной ток которого модулируется. Это позволяет цепи
работают примерно при половине тока покоя, который потребовался бы, если бы модуляция не применялась. Значения для R1 и R2 должны быть выбраны,
исходя из выигрыша Tr2. Для источника питания 40 В, если бы Tr2 имел усиление 50 при 1 А, то …(R1 + R2) = 20 В / 20 мА (базовый ток) = 1000 Ом.
Одна проблема с этим подходом заключается в том, что ток, обеспечиваемый Tr2, зависит от температуры. Читатели, желающие поэкспериментировать с этим
цепь должна обеспечивать проверку тока при нормальной рабочей температуре (т. е. ГОРЯЧЕЙ). В цепи нет механизма, предотвращающего
тепловой разгон, за исключением использования достаточно большого радиатора. В какой-то момент схема должна стабилизировать ток покоя. Если это так
нет (и ток продолжает увеличиваться), то радиатор маловат. Чтобы обеспечить срок службы транзисторов, они не должны
работают при температуре выше 50°C, что в нормальных условиях вполне достижимо. Поскольку каждый транзистор работает на (или около) 25 Вт,
теплоотвод каждого транзистора должен иметь теплоемкость около 1°С/Ватт. Лучший (т.е. больший) радиатор абсолютно бесполезен.
вред, и обеспечит отсутствие теплового разгона.Существует также более новая версия этого усилителя, но я не планирую ее переиздавать. Больше можно найти на
Сайт усилителя класса A (TCAAS).
Коэффициент усиления разомкнутой цепи приблизительно равен 600 с типичными транзисторами. Коэффициент усиления замкнутого контура определяется на частотах, достаточно высоких для того, чтобы импеданс C3 был мал по сравнению с R4, соотношением (R3 + R4)/R4. Со значениями, указанными на рис. 3, это равно 13. Это дает коэффициент обратной связи около 160 мОм.
Поскольку схема имеет единичное усиление по постоянному току, из-за включения C3 в петлю обратной связи выходное напряжение Ve поддерживается на том же уровне, что и база Tr4 плюс потенциал базы-эмиттера Tr4, и падение потенциала вдоль R3 за счет эмиттерного тока этого транзистора. Поскольку выходной транзистор Tr1 будет включать такой ток, какой необходим для снижения Ve до этого значения, резистор R2, который вместе с R1 регулирует ток коллектора Tr2, можно использовать для установки статического тока выходных каскадов усилителя. . Также будет очевидно, что Ve можно установить на любое желаемое значение путем небольших регулировок R5 и R6.
Оптимальная производительность будет получена, когда оно равно половине напряжения питания. (половина вольта или около того в любом случае будет иметь лишь небольшую разницу в максимальной достижимой выходной мощности и в других характеристиках этого усилителя, поэтому нет необходимости в большой точности при настройке.)
* Не упоминается назначение C1 (вместе с R1 и R2). Этот конденсатор обеспечивает «самозагрузку», которая пытается
поддерживать постоянное напряжение на резисторе R2. Если напряжение на резисторе остается постоянным, то ток через резистор должен
также остаются постоянными. Производительность этой схемы будет сильно снижена, если значение C1 будет слишком маленьким, исходя из наименьшего значения.
частота работы и параллельное значение R1 и R2. Для работы на частоте до 20 Гц (при сопротивлении R1 + R2 = 1000 Ом) конденсатор должен быть
не менее 220 мкФ.Аналогичным образом, реактивное сопротивление C1 должно быть низким по отношению к импедансу динамика (предпочтительно менее 1/2 импеданса динамика при самом низком уровне сопротивления).
интересующая частота — предполагается 20 Гц). Получается около 2000 мкФ. Для всех рекомендуется рабочее напряжение не менее 50 В.
электролитические конденсаторы, а для оптимальных в.ч. производительности, полиэстер 1 мкФ может быть подключен параллельно с каждым электро. По моему опыту это
не нужен, но многие не согласятся, так что если хотите, добавляйте.
Повсюду используются кремниевые планарные транзисторы
, что обеспечивает хорошую термическую стабильность и низкий уровень шума. Кроме того, поскольку комплементарная симметрия не требуется, все силовые каскады могут использовать транзисторы n-p-n, которые в кремнии обеспечивают наилучшие характеристики и минимальную стоимость. Общая производительность на уровне выходной мощности 10 Вт или на любом более низком уровне более чем соответствует стандартам, установленным Williamson. Графики выходной мощности и усиления/частоты показаны на рис. 4 и 5, а взаимосвязь между выходной мощностью и общим гармоническим искажением показана на рис.
6. Поскольку усилитель представляет собой простую схему класса А, искажения уменьшаются линейно с выходным напряжением. (Это не обязательно имело бы место в системе класса B, если бы присутствовало какое-либо значительное количество перекрестных искажений.) Анализ компонентов искажения на уровнях порядка 0,05 % затруднен, но кажется, что уровень, на котором начинается отсечение, является преимущественно второй гармоникой.
Стабильность, выходная мощность и сопротивление нагрузки
Кремниевые планарные NPN-транзисторы
в целом обладают отличными высокочастотными характеристиками, что способствует очень хорошей стабильности усилителя при реактивных нагрузках. Автор еще не нашел комбинации L и C, которая делает систему неустойчивой, хотя система легко станет колебательной с индуктивной нагрузкой, если резистор R3 шунтирован небольшим конденсатором, вызывающим спад на высоких частотах.
Схема, показанная на рис. 3, может использоваться с очень небольшими изменениями номиналов компонентов для управления импедансом нагрузки в диапазоне 3-15 Ом.
Однако выбранная выходная мощность представлена разным соотношением ток/напряжение в каждом случае, и поэтому ток через выходные транзисторы и размах выходного напряжения будут разными. Размах пикового напряжения и средний выходной ток можно довольно просто вычислить из хорошо известного соотношения W=I 2 R и V=IR, где символы имеют свое обычное значение. (однако следует помнить, что расчет выходной мощности основан на среднеквадратичных значениях тока и напряжения, которые необходимо умножить на 1,41, чтобы получить пиковые значения, и что измеренный размах напряжения представляет собой размах напряжения, который в два раза больше пикового значения.)
После выполнения этих расчетов размах напряжения при мощности 10 Вт на нагрузке 15 Ом оказался равным 34,8 В. Поскольку два выходных транзистора имеют минимальное напряжение около 0,6 вольт каждый, источник питания должен обеспечивать как минимум 36 вольт для питания этого выхода. Для нагрузок 8 и 3 Ом минимальная в.
т. напряжение в сети должно быть 27В и 17В соответственно. Необходимые минимальные токи 0,9, 1,2 и 2,0 ампера. Рекомендуемые номиналы компонентов для работы с этими значениями импеданса нагрузки показаны в таблице 1. С3 и С1 вместе влияют на спад напряжения и мощности на низких звуковых частотах. 4 и 5.
Поскольку задействованные напряжения питания и выходные токи приводят к рассеянию порядка 17 Вт на каждом выходном транзисторе, и поскольку нежелательно (для долговечности компонентов) допускать высокие рабочие температуры, для каждого транзистора необходимо предусмотреть достаточную площадь радиатора. Рекомендуется пара отдельно установленных ребристых радиаторов размером 125 мм на 100 мм (5 дюймов на 4 дюйма). Это, к сожалению, штраф, который приходится платить за операцию класса А. Для источников питания выше 30 В Tr1 и Tr2 должны быть Mj481s, а Tr3 — 2n1613.
Если выходное сопротивление предварительного усилителя превышает несколько тысяч Ом, входной каскад усилителя модифицируется для включения простого f.
e.t. Схема истокового повторителя показана на рис. 8. Это увеличивает гармонические искажения примерно до 0,12 % и, следовательно, (теоретически) является менее привлекательным решением, чем лучший предварительный усилитель.
Высокочастотный спад можно получить, если необходимо, подключив небольшой конденсатор между затвором полевого транзистора и отрицательной (заземляющей) линией.
Подходящие транзисторы
Были проведены некоторые эксперименты, чтобы определить степень влияния на характеристики схемы типа и коэффициента усиления по току используемых транзисторов. Как и ожидалось, наилучшие характеристики были получены при использовании транзисторов с высоким коэффициентом усиления и когда в выходном каскаде использовалась согласованная пара. Неизвестно адекватной замены для типа 2N697/2N1613, используемого в драйверном каскаде, но примеры этого типа транзисторов от трех разных производителей использовались с явно идентичными результатами. Точно так же использование альтернативных типов входных транзисторов не привело к заметному изменению производительности, и Texas Instruments 2N4058 полностью взаимозаменяем с Motorola 2N39.
06 используется в прототипе.
Наиболее заметные изменения производительности были обнаружены в характеристиках усиления по току пары выходных транзисторов, и для наименьших возможных искажений с любой парой напряжение в точке питания громкоговорителя должно быть отрегулировано так, чтобы оно было в пределах 0,25 вольта. половины потенциала питающей сети.
В этих экспериментах использовались транзисторы Motorola MJ480/481, за одним исключением, в котором были опробованы устройства Texas 2S034. Главный вывод, который можно сделать из этого, заключается в том, что тип используемого транзистора может быть не очень важен, но если есть различия в коэффициентах усиления по току выходных транзисторов, необходимо использовать устройство с более высоким коэффициентом усиления. в положении Тр1.
Когда компоненты искажения были обнаружены до начала клиппирования сигнала, они почти полностью были связаны с наличием вторых гармоник.
Примечания по конструкции
Усилитель
Компоненты, необходимые для пары стереоусилителей мощностью 10 + 10 Вт, можно удобно собрать на стандартном ‘Lektrokit’ 4″ X 4,75″ s.
r.b.p. контактная плата с четырьмя силовыми транзисторами, установленными на внешних радиаторах. Если не указано иное, номиналы компонентов не представляются особо критическими, и резисторы с допуском 10%, безусловно, можно использовать без вреда для здоровья. Однако самые низкие уровни шума будут получены при использовании компонентов хорошего качества и резисторов из углеродной пленки или оксида металла.
* Повсюду следует использовать металлопленочные резисторы, так как они во всех отношениях превосходят резисторы из углеродной пленки. Обычно это
доступен только с допуском 1% или лучше, что не вызовет никаких проблем.
Блок питания
Предлагаемая форма блока питания показана на рис. 9(а). Поскольку ток, потребляемый усилителем, по существу, постоянен, можно использовать последовательную схему сглаживания транзисторов, в которой выходное напряжение источника питания можно регулировать путем выбора входного тока базы, обеспечиваемого эмиттерным повторителем Tr2 и потенциометром VR1.
При значениях накопительного конденсатора, указанных в таблице 3, уровень пульсаций будет менее 10 мВ при номинальном выходном токе при условии, что коэффициент усиления по току последовательно включенного транзистора больше 40. Для выходных токов до 2,5 А последовательный указанных транзисторов будет достаточно, если они установлены на радиаторах, соответствующих их нагрузке.
Однако при уровнях тока, необходимых для работы 3-омной версии усилителя в качестве стереопары, одного MJ480 уже будет недостаточно, и необходимо использовать либо более подходящий последовательный транзистор, например Mullard BDY20, например, с 2N1711 как Tr2 или с параллельным подключением, как показано на рис. 9(b).
Общее сопротивление в первичной цепи выпрямителя, включая вторичную обмотку трансформатора, должно быть не менее 0,25 Ом. Когда источник питания с усилителем или без него должен использоваться с ВЧ. блок усилителя-тюнера может потребоваться добавить конденсатор 0,25 мкФ (160 В) на вторичные обмотки T1 для предотвращения переходного излучения.
Указанные выпрямительные диоды представляют собой герметизированные мостовые диоды International Rectifier.
* Этот источник питания не является регулируемым источником питания, а представляет собой простой умножитель емкости. Для более полного описания лучшей схемы см.
Емкостной множитель Фильтр источника питания на этих страницах.
Ограничение тока
* Хотя в исходной статье об этом не упоминалось (и я успел на время «потерять» файл схемы), нынешний
был включен ограничитель. Это гарантирует, что ток через выходные устройства не превысит заданного значения, хотя я считаю, что
концепция ошибочна и имеет ограниченную ценность в этом общем замысле.
Схема выше показывает способ подключения ограничителя тока. Он не будет стабилизировать ток покоя (нет сигнала), а только
способный гарантировать, что абсолютный максимальный ток не превышает значения, определяемого потенциометром 100 Ом. Чтобы быть полезным, ток
необходим стабилизатор, который обеспечит постоянство рабочего тока при отсутствии сигнала независимо от температуры или напряжения питания
вариации.
Никакой информации для достижения этой цели не предоставляется.
Дополнительные примечания
Эта статья (с редакционными примечаниями) перепечатывается в качестве услуги читателям, которым напоминают о законах об авторском праве, которые могут ограничивать права читателей на воспроизведение, коммерческое производство (и т.д.). Представленная информация не предназначена для использования в качестве руководства по строительству, а в первую очередь представляет интерес и служит отправной точкой для других проектировщиков.
Исходной статье уже много лет, и некоторые из упомянутых типов транзисторов теперь заменены значительно лучшими конструкциями. Я оставлю читателям экспериментировать с типами устройств. В то время как большая часть дизайна по-прежнему весьма актуальна для нового дизайна, я думаю, что этот усилитель может показаться недостаточным по сравнению с более поздними тенденциями дизайна. В частности, система смещения не стабильна при изменении температуры, и будет очевиден дрейф постоянного тока.
Кроме того, усиление без обратной связи очень низкое, поэтому обратная связь гораздо меньше, чем хотелось бы (хотя многие сочтут, что это хорошо!). Как упоминалось выше, дополнительная локальная обратная связь (резистор 0,1 Ом в эмиттере Tr1) может уменьшить искажения без обратной связи, но дополнительно снижает коэффициент усиления. Я предлагаю поэкспериментировать (пока что я провел лишь несколько компьютерных симуляций) и буду признателен за отзывы всех, кто попробует эту схему.
Я бы также предположил, что усилитель мощности с одним источником питания на самом деле не является предложением для новых конструкций (хотя DoZ использует тот же принцип), и биполярный (+/-) источник питания может быть предпочтительнее. В этом случае стабилизация постоянного тока становится серьезной проблемой, поскольку малые напряжения смещения постоянного тока могут стать катастрофой, в частности, для твитеров.
Схемы не очень высокого качества, а являются оригиналами с исходной WWW-страницы.
Добавить комментарий