ГАИ

Электрические схемы унч. Мощный усилитель на транзисторах

Высокое входное сопротивление и неглубокая ОС - основной секрет теплого лампового звучания. Ни для кого не секрет, что именно на лампах реализуются самые высококачественные и дорогие усилители, которые относятся к разряду HI-End. Давайте поймем, что такое качественный усилитель? Качественным имеет право называться тот усилитель мощности НЧ, который полностью повторяет форму входного сигнала на выходе, не искажая его, разумеется выходной сигнал уже усиленный. В сети можно встретить несколько схем действительно высококачественных усилителей, которые имеют право относится к разряду HI-End и совсем не обязательна ламповая схематика. Для получения максимального качества, нужен усилитель, выходной каскад которого работает в чистом классе А. Максимальная линейность схемы дает минимальное кол-во искажений на выходе, поэтому в строении высококачественных усилителей особое внимание уделяется именно этому фактору. Ламповые схемы хороши, но не всегда доступны даже для самостоятельной сборки, а промышленные ламповые УМЗЧ от брендовых производителей стоят от нескольких тысяч, до нескольких десятков тысяч долларов США - такая цена уж точно не по карману многим.
Возникает вопрос - можно ли аналогичных результатов добиться от транзисторных схем? ответ будет в конце статьи.

Линейных и сверхлинейных схем усилителей мощности НЧ достаточно много, но схему, которая будет сегодня рассмотрена является ультралинейной схемой высокого качества, которая реализована всего на 4-х транзисторах. Схема была создана в далеком 1969 году, британским инженером-звуковиком Джоном Линсли-Худом (John Linsley-Hood). Автор является создателем еще нескольких высококачественных схем, в частности класса А. Некоторые знатоки называют этот усилитель самым качественным среди транзисторных УНЧ и я в этом убедился еще год назад.

Первая версия такого усилителя была представлена на . Удачная попытка реализации схемы заставила создать двухканальный УНЧ по этой же схеме, собрать все в корпусе и использовать для личных нужд.

Особенности схемы

Не смотря на простоту, схема имеет несколько особенностей. Правильный режим работы может нарушиться из-за неправильной разводки платы, неудачного расположения компонентов, неправильное питание и т.п..
Именно питание - особо важный фактор - крайне не советую питать данный усилитель от всевозможных блоков питания, оптимальный вариант аккумулятор или блок питания с параллельно включенным аккумулятором.
Мощность усилителя составляет 10 ватт с питанием 16 Вольт на нагрузку 4 Ом. Саму схему можно приспособить для головок 4, 8 и 16 Ом.
Мною была создана стереофоническая версия усилителя, оба канала расположены на одной плате.

Второй - предназначен для раскачки выходного каскада, поставил КТ801 (раздобыл достаточно трудно.
В самом выходном каскаде поставил мощные биполярные ключи обратной проводимости - КТ803 именно с ними получил несомненно высокое качество звучание, хотя экспериментировал со многими транзисторами - КТ805, 819 , 808, даже поставил мощные составные - КТ827, с ним мощность на много выше, но звук не сравниться с КТ803, хотя это лишь мое субъективное мнение.

Входной конденсатор с емкостью 0,1-0,33мкФ, нужно использовать пленочные конденсаторы с минимальной утечкой, желательно от известных производителей, тоже самое и с выходным электролитическим конденсатором.
Если схема рассчитана под нагрузку 4 Ом, то не стоит повышать напряжение питания выше 16-18 Вольт.
Звуковой регулятор решил не поставить, он в свою очередь тоже оказывает влияние на звук, но параллельно входу и минусу желательно поставить резистор 47к.
Сама плата - макетная. С платой пришлось долго повозиться, поскольку линии дорожек тоже оказывали некое влияние на качество звука в целом. Этот усилитель имеет очень широкий диапазон воспроизводимых частот, от 30 Гц до 1мГц.

Настройка - проще простого. Для этого нужно переменным резистором добиться половины питающего напряжения на выходе. Для более точной настройки стоит использовать многооборотный переменный резистор. Один шуп мультиметра присоединяем с минусом питания, другой ставим к линии выхода, т.е к плюсу электролита на выходе, таким образом, медленно вращая переменник добиваемся половины питания на выходе.

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

Класс «А» - ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно - чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД - свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД - менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток - полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.

«Альтернативные» конструкции

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, - обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление - несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков - 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток - существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная - в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий - порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности - они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная - с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм - наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 - 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 - 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения - это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле - сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

УНЧ с трансформатором на выходе

Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.

Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.

Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Представляю третье поколение студийного усилителя класса ЭА. Относительно первого поколения и промежуточного тестового второго схема претерпела изменения во входной части и в цепи ее питания. Так-же изменена элементная база и номиналы выходного каскада.

Характеристики:

Линейный диапазон рабочих частот с отклонением не более 1дБ: 20Гц-30кГц
Номинальная выходная мощность одного канала: 80 Вт
Максимальная выходная мощность одного канала: 100 Вт
Сопротивление нагрузки: 4-8 Ом
Коэффициент гармонических искажений: 0.01%
Отношение сигнал/шум: 95дБ
Чувствительность: 2.5В~80Вт на 8Ом
Коэффициент демпфирования: 200-300
Максимальная скорость нарастания: 48 В/мкс
Напряжение питания: +-33В

Схема

На схеме входная часть - C1, C2, R1, R2. Далее дифференциальный усилитель на ОУ OP1. Питание ОУ поступает через резисторы R7 и R10, ограничивается стабилитронами VD1 и VD2 и шунтируется конденсаторами С5 и С6 по НЧ, С7 и С8 по ВЧ. Цепочкой R3, C3, R4, C4 образована обратная отрицательная связь. Далее каскад тока покоя и термостабилизации на VT1, резисторами R5 и R6 задается рабочая точка. После него каскад УН(усилитель напряжения) на VT2 и VT3, эмиттеры которых подключены к общему через R11 и R12, и на которые заведены напряжения через R14 и R15 с выходных резисторов R17 и R18, вместе с нагрузкой работающих как токовый шунт относительно общего. Выходной каскад собран на VT4 и VT5, базовый ток которых ограничен резисторами R13 и R16. На выходе усилителя стандартная цепочка цобеля R19, C13. По питанию стоят шунтирующие конденсаторы C10 и С11 по ВЧ, С12 и С14 по СЧ.

Как это работает

Сигнал с входного разъема проходит через разделительный конденсатор С1 и поступает на делитель R2- R1 и уже с них на не инвертирующий вход ОУ ОР1. Конденсатор С2 шунтирует вход и подавляет ВЧ помехи.

На графике выше можно увидеть форму сигнала на входе усилителя (синий), а так-же на базах VT2 (красный) и VT3 (зеленый).

Эта разность на базах транзисторов после усиления ими позволяет избавится от эффекта ступеньки и зависит от тока покоя, который задается транзистором VT1. Чем больше открыт VT1, тем меньше ток покоя. Это происходит благодаря тому что VT1 соединяя базы транзисторов VT2 и VT3 при открытии притягивает их друг к другу, то-есть напряжение на каждой базе становится более приближенным к эмиттеру, а значит транзистор постепенно закрывается. Напряжение на базе VT1 формируется делителем R5-R6, на который поступает с полюсов питания через резисторы R8 и R10.

На графике выше сигнал на входе ОУ (зеленый), на базе транзистора VT4 (синий), VT5 (красный) и сигнал на выходе усилителя (фиолетовый).

С транзисторов VT2 и VT3 сигнал поступает на базы VT4 и VT5 через ограничительные резисторы R13 и R16. В эмиттерных цепях VT2 и VT3 относительно общего стоят 2 резистора R11 и R12, при помощи которых через R14 и R15 задается отрицательная обратная связь по току, где шунтом являются R17 и R18. Именно эта обратная связь задает усилителю класс ЭА. Чем больше выходная мощность, тем меньше ток покоя. Это значит что на малых мощностях и сигналах усилитель работает в классе А, а с ее увеличением переходит в класс АБ.

Обратная связь образована цепочкой R3 и С3 а так-же R4 и C4, где R3 задает общую обратную связь по напряжению, а С3 урезает верхний диапазон для предотвращения самовозбуждения усилителя, нижняя часть делителя работает только с переменной частью сигнала за счет конденсатора C4. Это устанавливает относительно постоянного тока бо"льшую обратную связь, и ее большие значения во время простоя усилителя.

Усилитель хорошо выдерживает коротковременные КЗ в нагрузке за счет токовой обратной связи. При КЗ транзисторы выходного каскада хоть и работают в нештатном режиме, но цепочка токовой ООС уменьшает выходную мощность достаточно, чтобы транзисторы не сгорели сразу, они скорее выйдут из строя ввиду перегрева. Схеме так-же совершенно безразлично включение без нагрузки, в отличии от некоторых усилителей. Таким образом схема имеет повышенную надежность.

Еще раз о характеристиках

На графике ниже виден частотный диапазон для данных номиналов, он составляет 30Гц-25кГц на ровном участке, или 20Гц-40кГц при отклонении не более 1 Дб.

Скорость нарастания была вычислена путем умножения скорости нарастания ОУ на коэффициент усиления УНа и и выходного каскада. И в отличии от некоторых авторов, она реальна (Автор накрутил эту цифру до 228В/мкс), у большинства серийных усилителей этот показатель не превышает 15-20В/мкс по данным производителей.

Все данные получены путем моделирования и математического расчета. На практике усилитель имеет чистое детальное звучание и упругие низы.

Настройка

Правильно собранный усилитель в настройке не нуждается. Но все-же. Ток покоя подбирается соотношением резисторов R5 и R6, и составляет целых 200мА (класс А все таки) без сигнала на входе (далее как сказано выше - работает токовая ООС). На ОУ должно быть стабильно +-15В. Коэффициент усиления зависит от делителя на входе и номинала резистора обратной связи.

Конструктивные требования

Все транзисторы усилителя должны быть установлены на один радиатор площадью не менее 1600см2 . Питание усилителя минимум +-30В, максимум +-60В. Номинальное +-35В.

Транзисторы необходимо монтировать на радиатор пользуясь изолирующей термоподложкой и термопастой. Осторожнее при креплении платы через штатные отверстия - один человек уже замкнул и спалил так дорожки.

Печатная плата

Печатная плат имеет размеры 50х100мм. Плата двухсторонняя. Крайне рекомендуется использовать заводские печатные платы ввиду плотного монтажа, не позволяющего высококачественно припаять выводы на верхний слой, а так-же наличие переходных отверстий в питающих цепях.

Фото устройства

На фото выше усилитель версии 1.1. Ниже усилитель версии 1.2

Зеленные платы были заказаны на предоставляемом сайтом сервисе, кнопку которого вы можете найти ниже.

Так-же одна из версий усилителя была оформлена в корпус как готовое решение.

К статье прилагается проект в . Запустив симуляцию вы можете изучить происходящие в схеме процессы подробнее, а так-же посмотреть как схема будет себя вести при других номиналах.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
OP1	Операционный усилитель	TL081	1		В блокнот
VT1	Биполярный транзистор	BD139	1		В блокнот
VT2	Биполярный транзистор	MJE15032	1		В блокнот
VT3	Биполярный транзистор	MJE15033	1		В блокнот
VT4	Биполярный транзистор	2SA1943	1		В блокнот
VT5	Биполярный транзистор	2SC5200	1		В блокнот
R1, R2	Резистор	22 кОм	2	0.25W	В блокнот
R3, R8, R9	Резистор	20 кОм	3	0.25W	В блокнот
R4	Резистор	1 кОм	1	0.25W	В блокнот
R5	Резистор	6.8 кОм	1	0.25W	В блокнот
R13, R16	Резистор	51 Ом	2	0.25W	В блокнот
R6	Резистор	10 кОм	1	0.25W	В блокнот
R7, R10	Резистор	1.2 кОм	2	1W	В блокнот
R11, R12	Резистор	68 Ом	2	2W	В блокнот
R14, R15	Резистор	630 Ом	2	2W	В блокнот
R17, R18	Резистор	0.22 Ом	2	2W	В блокнот
R19	Резистор

Хочу предложить начинающим любителям качественного звуковоспроизведения одну из разработанных и опробованных схем УНЧ. Данная конструкция поможет сделать качественный усилитель, который можно дорабатывать с минимальными затратами и использовать усилитель для исследований схемных решений.

Это поможет в пути от простого к сложному и более совершенному. К описанию прилагаются файлы печатных плат, которые можно трансформировать под конкретный корпус.

В представленном варианте использовался корпус от Радиотехники У-101.

Данный усилитель мощности я разрабатывал и делал в прошлом веке из того, что возможно было приобрести без затруднений. Хотелось сделать конструкцию с максимально возможным соотношением цены и качества. Это не High-End, но и не третий сорт. Усилитель имеет качественное звучание, отличную повторяемость и прост в наладке.

Принципиальная схема усилителя

Схема полностью симметрична для положительной и отрицательной полуволн низкочастотного сигнала. Входной каскад выполнен на транзисторах VT1 – VT4. От прототипа он отличается транзисторами VT1 и VT4, которые повышают линейность каскадов на транзисторах VT2 и VT3. Существует множество схемных разновидностей входных каскадов, обладающих различными достоинствами и недостатками. Этот каскад выбран из-за простоты, возможности снижения нелинейности амплитудной характеристики транзисторов. С появлением более совершенных схем входных каскадов можно проводить его замену.

Сигнал отрицательной обратной связи (ООС) берется с выхода усилителя напряжения и поступает в эмиттерные цепи транзисторов VT2 и VT3. Отказ от общей ООС обусловлен желанием избавиться от влияния на ООС всего лишнего, что не является выходным сигналом схемы. В этом есть свои плюсы и минусы. При данной комплектации это оправдано. При более качественных комплектующих элементах можно пробовать и с различными типами обратной связи.

В качестве усилителя напряжения выбрана каскодная схема, которая обладает большим входным сопротивлением, малой проходной емкостью и меньшими нелинейными искажениями в сравнении со схемой ОЭ. Недостатком каскодной схемы является меньшая амплитуда выходного сигнала. Такова плата за меньшие искажения. Если установить перемычки, то на печатной плате можно собирать и схему ОЭ. Питание усилителя напряжения от отдельного источника напряжения не вводилось из-за желания упростить конструкцию УНЧ.

Выходной каскад представляет собой параллельный усилитель, обладающий рядом преимуществ перед другими схемами. Одно из важных преимуществ – линейность схемы при значительном разбросе параметров транзисторов, что проверялось при сборке усилителя. Этот каскад должен обладать, возможно, большей линейностью, т.к. нет общей ООС и от него очень зависит качество выходного сигнала усилителя. Напряжение питания усилителя 30 В.

Конструкция усилителя

Печатные платы я разрабатывал для «доступных» корпусов от усилителей Радиотехника У-101. Схему разместил на двух частях печатной платы. На первой части, которая закреплена на радиаторе, размещены «параллельный» усилитель и усилитель напряжения. На второй части платы размещен входной каскад. Эта плата крепится на первой плате при помощи уголков. Такое разбиение платы на две части позволяет с минимальными конструктивными изменениями проводить усовершенствование усилителя. Кроме того, такая компоновка может служить и для лабораторных исследований каскадов.

Собирать усилитель необходимо в несколько этапов. Сборка начинается с параллельного усилителя и его налаживания. Вторым этапом собирается и налаживается остальная часть схемы и проводится окончательная минимизация искажений схемы. При размещении транзисторов выходного каскада на радиаторе необходимо помнить о необходимости теплового контакта корпусов попарно транзисторов VT9, VT14 и VT10, VT13.

Печатные платы разработаны с помощью программы Sprint Layout 6, что позволит корректировать размещение элементов на плате, т.е. подгонять под конкретную комплектацию или корпус. См. архивы внизу.

Детали усилителя

Параметры усилителя зависят от качества применяемых радиоэлементов и их расположения на плате. Примененные схемные решения позволяют обойтись без подбора транзисторов, но желательно применять транзисторы с граничной частотой усиления от 5 до 200 МГц и запасом предельного рабочего напряжения более чем в 2 раза в сравнении с напряжением питания каскада.

Если есть желание и возможность, то желательно выбирать транзисторы по принципу «комплементарности» и одинаковости усилительных характеристик. Пробовались варианты изготовления с подбором транзисторов и без него. Вариант с подобранными «комплементарными» отечественными транзисторами показал значительно лучшие характеристики, чем без подбора. Только КТ940 и КТ9115 из отечественных транзисторов являются комплементарными, а у остальных комплементарность условная. Среди зарубежных транзисторов комплементарных пар очень много и информацию об этом можно взять на сайтах производителей и в справочниках.

В качестве VT1, VT3, VT5 возможно применение транзисторов серии КТ3107 с любыми буквами. В качестве VT2, VT4, VT6 возможно применение транзисторов серии КТ3102 с буквами, которые имеют характеристики схожие с примененными транзисторами для другой полуволны звукового сигнала. Если возможен подбор транзисторов по параметрам, то лучше сделать это. Почти все современные тестеры позволяют это сделать без проблем. При больших отклонениях временные затраты при настройке будут больше и результат скромнее. Для VT6 подойдут транзисторы КТ9115А, КП960А, а для VT7 – КТ940А, КП959А.

В качестве VT9 и VT12 можно применять транзисторы КТ817В (Г), КТ850А, а в качестве VT10 и VT11 – КТ816В (Г), КТ851А. Для VT13 подойдут транзисторы КТ818В (Г), КП964А, а для VT14 – КТ819В (Г), КП954А. Вместо стабилитронов VD3 и VD4 можно использовать по два последовательно соединенных светодиода АЛ307 или им подобные.

Схема позволяет применять и другие детали, но может потребоваться коррекция печатных плат. Конденсатор С1 может иметь емкость от 1 мкФ до 4,7 мкФ и обязательно полипропиленовый или другой, но качественный. На радиолюбительских сайтах можно найти об этом информацию. Подключение напряжения питания, входного и выходного сигналов проводится с использованием клемм для печатного монтажа.

Налаживание усилителя

При первом включении УНЧ следует подключать через мощные керамические резисторы (10 – 100 Ом). Это спасет элементы от перегрузок и выхода из строя при ошибке в монтаже. На первой части платы выставляется резистором R23 ток покоя УНЧ (150-250 мА) при отключенной нагрузке. Далее надо установить отсутствие постоянного напряжения на выходе усилителя при подключенном эквиваленте нагрузки. Это делается изменением номинала одного из резисторов R19 или R20.

После монтажа остальной части схемы резистор R14 выставить в среднее положение. На эквиваленте нагрузки проверяется отсутствие возбуждения усилителя и резистором R5 устанавливаем отсутствие постоянного напряжения на выходе усилителя. Усилитель можно считать настроенным в статическом режиме.

Для налаживания в динамическом режиме параллельно эквиваленту нагрузки подключается последовательная RС цепь. Резистор мощностью 0,125 Вт и номиналом 1,3-4,7 кОм. Конденсатор неполярный 1-2 мкФ. Параллельно конденсатору подключаем микроамперметр (20-100 мкА). Затем, подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 5-8 кГц, по подключенному к выходу осциллографу и вольтметру переменного тока нужно оценить пороговый уровень насыщения усилителя. После этого снижаем входной сигнал до уровня 0,7 от насыщения и резистором R14 добиться минимума показания микроамперметра. В некоторых случаях, для снижения искажений на верхних частотах, необходимо проводить коррекцию фазы по опережению установкой конденсатора С12 (0,02-0,033 мкФ).

Конденсаторы С8 и С9 подбираются по наилучшей передаче импульсного сигнала частотой 20 кГц (ставятся при необходимости). Конденсатор С10 можно не ставить, если схема устойчива. Изменением номинала резистора R15 устанавливают одинаковое усиление для каждого из каналов стереофонического или многоканального варианта. Изменяя величину тока покоя выходного каскада можно попытаться найти наиболее линейный режим работы.

Оценка звучания

Собранный усилитель обладает весьма хорошим звучанием. Долгое прослушивание усилителя не приводит к «утомлению». Конечно, есть и лучше усилители, но по соотношению затрат и полученного качества схема понравится многим. При более качественных деталях и их подборе можно добиться и еще более значительных результатов.

Ссылки и файлы

1. Король В., "УМЗЧ с компенсацией нелинейности амплитудной характеристики" - Радио, 1989, № 12, с. 52-54.

09-06-2017 - Исправлена схема, перезалиты все архивы.
▼ 🕗 09/06/17 ⚖️ 24,43 Kb ⇣ 17 Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.

Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!

Предлагаемый вашему драгоценному вниманию усилитель прост в сборке, ужасно прост в настройке (он её фактически не требует), не содержит особо дефицитных компонентов и при всем при этом имеет весьма недурные характеристики и запросто тянет на так называемый hi-fi, столь нежно любимый большинством граждан. Усилитель может работать на нагрузку 4 и 8 Ом, может быть использован в мостовом включении на нагрузку 8 Ом, при этом он отдаст в нагрузку 200 Вт.

Основные характеристики:

Напряжение питания, В................................................................ ±35
Потребляемый ток в режиме молчания, мА................................ 100
Входное сопротивление, кОм......................................................... 24
Чувствительность (100 Вт, 8 Ом), В.............................................. 1,2
Выходная мощность (КГ=0,04%), Вт.............................................. 80
Диапазон воспроизводимых частот, Гц............................. 10 - 30000
Отношение сигнал/шум (не взвешенное), дБ.............................. -73

Усилитель полностью на дискретных элементах, без всяких ОУ и прочих хитростей. При работе на нагрузку 4 Ома и питании 35 В усилитель развивает мощность до 100 Вт. Если есть потребность подключить нагрузку 8 Ом питание можно увеличить до +/-42 В, в этом случае, мы получим те же самые 100 Вт. Очень сильно не рекомендуется увеличивать напряжение питания более 42 В, иначе можно остаться без выходных транзисторов. При работе в мостовом режиме должна использоваться 8-ми омная нагрузка, иначе, опять-таки, лишаемся всякой надежды на выживание выходных транзисторов. Кстати, надо учесть, что защиты от КЗ в нагрузке не предусмотрено, так что надо быть поосторожней. Для использования усилителя в мостовом режиме необходимо вход МТ прикрутить к выходу другого усилителя, на вход которого и подается сигнал. Оставшийся вход замыкается на общий провод. Резистор R11 служит для установки тока покоя выходных транзисторов. Конденсатор C4 определяет верхнюю границу усиления и уменьшать его не стоит - получите самовозбуждение на высоких частотах.
Все резисторы - 0,25 Вт за исключением R18, R12, R13, R16, R17. Первые три - 0,5 Вт, последние два - по 5 Вт. Светодиод HL1 служит не для красоты, поэтому не надо втыкать в схему сверхъяркий диод и выводить его на переднюю панель. Диод должен быть самый обычный зелёного цвета - это важно, поскольку светодиоды других цветов имеют другое падение напряжения. Если вдруг кому-то не повезло и он не смог достать выходные транзисторы MJL4281 и MJL4302, их можно заменить на MJL21193 и MJL21194 соответственно. Переменный резистор R11 лучше всего взять многооборотный, хотя подойдет и обычный. Ничего критичного тут нет - просто удобнее устанавливать ток покоя.