Высококачественный квадрафонический усилитель мощности

Предисловие: все постепенно развиваются и вот где-то весной 2001 года я пошел в гости к одному из многих своих знакомых. К большому несчастью для моего бюджета он решил похвастаться приобретенной акустической системой формата 5.1 (вроде Sven за 3.5 т.р.), для чего даже специально был куплен DVD диск с концертом Metallica c AC3 5.1 звуком. Не могу сказать, что меня очень-то поразило качество этой системы - попадались образцы и намного лучше, дело не в этом. Прежде я никогда не слушал квадро и подобные по формату системы. Смею заверить, что описание всяких преимуществ и недостатков разных систем так ими и остаются до тех пор, пока вы сами всего не услышите. Так вот, не буду говорить про достоинства/недостатки того что я услышал, единственное, что поразило - это потрясающая звуковая картина, которая развертывается во всем пространстве, а не плоской стеной, как обычно бывает в случае стерео. Бесполезно это описывать, надо убедиться самому. Так вот, несколько отойдя от первого впечатления, я немного поисследовал сию систему и пришел к выводу, что в принципе достаточно 4-х независимых каналов. На глубину и детальность звуковой картины это влияет несильно, а полноформатные акустические системы (напомню, у компьютерной акустики за низкочастотную часть отвечает лишь сабвуфер) очень положительно влияют на звук вообще и НЧ регистр в частности, вопреки бытующему мнению, что для этого диапазона достаточно одного динамика (сабвуфера). Исходя из этих рассуждений, была выбрана 4-хканальная схема усилителя. Тем более что неизвестно, куда я дену крупногабаритную центральную колонку... Теперь про мощность. Для лучшего понимания необходимо немного отвлечься и представить себе условия эксплуатации данной системы: типовая комната в общежитии 60-х годов постройки площадью около 16 кв.м. Громко конечно включить можно, но вот когда очень громко, то почему-то не нравиться соседям ;-)). Проведя пару экспериментов, было решено остановиться на номинальной мощности в 15Вт на канал, чего вполне достаточно по результатам уже более чем полуторагодового срока эксплуатации.


Приступим к рассмотрению схемотехники усилителя. Здесь был выбран такой, как я считаю, более удобный вариант: все особенности описываются по мере их поступления, а не все сразу, тем самым достигается большая логичность и последовательность изложения материала.

Усилитель условно разбит на 4 функциональных звена:

  1. Усилитель мощности.
  2. Предварительный усилитель и регулятор громкости.
  3. Дополнительный преобразователь напряжения 27.5 В.
  4. Источник питания.

Рисунок 1. Блок-схема усилителя.

Начать описание я думаю, стоит с источника питания, а не помещать его в самый конец, как это обычно принято, т.к. он в значительной мере определяет цену усилителя, и в некотором роде и его схему. Номинальная мощность должна составить не менее 35 Вт на каждый канал (мощность в нагрузке плюс 20 Вт - теряется в силовых транзисторах при самом напряженном режиме). Для всего усилителя получаем 140 Вт - не очень большая то цифра, но есть одно но: при работе на комплексную нагрузку пиковый ток может достаточно сильно возрастать, что отрицательно скажется на общем качестве звуковоспроизведения. С учетом этих соображений была выбрана мощность 250 Вт, откуда запас составляет свыше 70%, что достаточно неплохо. Теперь собственно о схемотехнике блока: я выбрал импульсный блок питания от персонального компьютера, б/у мне обошелся в 200р. Такой выбор обусловлен низкой ценой и достаточно высоким качеством питающих напряжений и низкими массогабаритными характеристиками. Классический линейный источник был бы раз в 5 тяжелее и размерчиком поболее. Правда, у импульсного блока питания есть одна досадная деталь- это высокий уровень помех, который не только излучаются (с ними в УМ даже бороться не пришлось, т.к. присутствие незаметно), но и проникают по цепям питания, что доставило довольно много проблем. Амплитуда ВЧ напряжения на выходе блока составляет порядка 50 мВ, что требует достаточно высокого подавления помех по питанию от усилителя.

Для усилителя блок питания придется переделать. Кстати, подойдет не только на мощность 250 Вт, но и меньше,- вплоть до 200. Основной признак того, что данный блок не подходит - это если в работающем с перегрузкой по сигналу усилителе у блока питания срабатывает защита. До их совместной работы (с усилителем) дать оценку на пригодность практически невозможно, т.к. та мощность, что написана, далеко не всегда соответствует действительной. Теперь собственно о доработке. Сперва необходимо увеличить в 20 раз емкость электролитического конденсатора, что подключен к выводу 4 управляющей микросхемы типа TL494 или ее аналога (имеют разные названия, но у всех по 16 выводов, используются практически во всех блоках питания АТ, доработка АТХ сильно отличается!!!). Его назначение- это плавный заряд фильтрующих емкостей, если его оставить без изменений, то через мощные высоковольтные транзисторы будет протекать чрезмерно большой ток и они очень быстро выйдут из строя. Далее выпаиваем выходной многообмоточный дроссель (намотан на ферритовом кольце), заметив при этом, где какая обмотка, аккуратно сматываем обмотку -12 В и наматываем ее примерно таким же проводом, что и обмотка на +12 В, число витков такое же. Ставим всё на место. Не перепутайте полярность намотки, при неправильном присоединении блок питания точно не заработает (надеюсь, что ничего не сгорит). Также необходимо найти делитель, что подключен к первой ножке управляющей микросхемы и выпаять тот резистор, что включен между ней и шиной +5 В. Измеряем его (обычно 4.7 кОм) и ставим между теперь уже шиной 12 В!!! и выводом 1 резистор номинала в 6.2 раза большего. Блок питания пока включать не следует, т.к. после такой переделки выходное напряжение повышается до 18 В, что опасно для выходных конденсаторов. Будет лучше, если ваш блок питания поддерживает входное напряжение 110(127) В безо всяких там переключателей, у него шире запас по увеличению выходного напряжения. Перепаиваем выходные конденсаторы, что стоят по шинам +12 и -12 В, заменяя их на 2200мкФ (или 4700, что лучше, если влезет) на 25 В. Шину -12 В лучше вести отдельным проводом, т.к. печатная плата не рассчитана на протекание по ней больших токов. Теперь подключаем к выходам (бывшим +12 и -12 В) резисторы по 100 Ом на 5Вт и измеряем выходные напряжения, они не должны отличаться более чем на 1 В друг от друга и от 18 В.При сильном отклонении от 18 В в большую сторону уменьшите резистор, что подпаяли к шине +12 В и наоборот. При большом различии двух напряжений ищите ошибки в монтаже. На завершающем этапе заменяем диоды, что работают на шину -12 В, на более сильноточные, подойдут любые импульсные (у меня КД2999А на 20А 200В 200нс) с допустимым током не менее 10 А, обратным напряжением более 100 В и временем восстановления не более 250-300 нс, при использовании диодов Шоттки проявляйте осторожность - они часто имеют маленькое обратное напряжение. Диоды настоятельно советую поставить на небольшой пластинчатый радиатор, что в корпус блока нормально войдет. Замечание: некоторые блоки питания плохо работают при выходном напряжении 18 В, возможно, придется довольствоваться меньшим значением (хотя мне такие еще не попадались), скажем, 15 В, - мощность тоже будет поменьше. С блоком питания закончили, осталось добавить фильтр и всё.

Схема усилителя мощности представлена на рисунке 2.

Нажмите, чтобы загрузить схему отдельно
Рисунок 2.


Как видно, это несложный усилитель, выполненный по инвертирующей схеме включения, с каскодным включением входных транзисторов. Такое включение обладает тем преимуществом, что полностью использует частотные свойства транзисторов и позволяет пренебречь полюсом входного каскада, повышая общую устойчивость. Правда, пришлось ввести термостабилизацию при помощи диодов VD1,VD2 и подстройку выходного напряжения смещения резистором R3. В качестве данного резистора следует использовать многооборотный повышенной надежности, проволочные - самый оптимальный вариант, хотя я использовал непроволочные (но многооборотные) СП3-39А, довольно малогабаритные. Особенно это касается подстроечного резистора R8, ответственного за регулировку тока покоя. На транзисторе VT3 собран каскад усиления напряжения, собранный по классической схеме ОЭ, нагрузкой которого выступает резистор R10 в цепи затвор-исток силового транзистора VT5 и вход фазоинверсного каскада, собранного на VT4. В нормальном режиме работы на VT3 рассеивается мощность примерно 200-250 мВт, что достаточно близко к предельному значению. Рекомендую заменить его на КП960, хуже вряд ли станет, можно также попробовать КТ668, и другие с небольшими емкостями переходов. Что касается фазоинверсного каскада, то это типовая схема с глубокой ООС в цепи эмиттера. Термостабилизацией занимается диод VD3, который должен быть закреплен на радиаторе вместе с мощными транзисторами. При проверке работы схемы термостабилизации может оказаться, что одного диода не вполне достаточно, тогда используйте два с одновременным снижением напряжения стабилизации VD4 на 0,7 В (КС139 подойдет). Ток покоя выставляется подстроечным резистором R8. Конечно, изменяя его, мы одновременно изменяем амплитуду управляющего сигнала на нижнем по схеме силовом транзисторе, однако это не очень существенно, т.к. транзисторы в одной серии обладают разбросом крутизны S до 4-5 раз, причем большая крутизна соответствует меньшему пороговому напряжению, что требует установки большего значения сопротивления R8, автоматически уменьшая коэффициент передачи по сигналу. Необходимость применения повышенного напряжения питания предварительных каскадов усиления вызвана желанием обеспечить полное использование напряжения шины +18 В, т.к. при его (27,5 В) отсутствии силовой транзистор VT5 никогда не поднимет напряжение на выходе выше 15-15,5 В, что обусловлено наличием положительного порогового напряжения примерно 2В, для неверующих прошу подключить транзистор как показано на рисунке 3 и измерить падение напряжения на нем. Полностью открытый транзистор данного типа обладает сопротивлением менее 0,05 Ом, что соответствует напряжениям намного меньше 0,5 В при токах 4-5 А. Для улучшения работы усилителя на каждый канал был выделен блок конденсаторов С4-С6, которые желательно расположить в непосредственной близости от разводки данного канала.


Рисунок 3.

Несколько слов про самовозбуждение:

Усилитель может стать неустойчивым, если его вход оставить свободным, что связано с увеличением глубины обратной связи до 1.

Коррекция усилителя в области ВЧ осуществляется конденсатором С2, который нужно подобрать при его самовозбуждении.

Найболее сложным для любого усилителя будет работа на нагрузку, которая на ВЧ представляет из себя значительную емкость (>0,05 мкФ), к примеру, я специально подключал параллельно нагрузочному резистору емкость в 1 мкФ для проверки.

Если есть трудности при большой емкости нагрузки, то советую включить в разрыв провода от выхода усилителя параллельную LR-цепочку, номиналы примерно 100 Ом и 5 мкГн (на ток не менее 5А!). Хотя скажем, мой вариант показал неплохую устойчивость при работе на S90 и им подобные и ничего включать не пришлось.

Теперь пора перейти к предварительному усилителю. Основная проблема встала в связи с высоким уровнем помех, возникающих из-за присутствия импульсного блока питания как в усилителе, так и в источнике (лично у меня усил работает с ПК). При работе с CD-проигрывателем таких проблем не возникает и схемное решение может быть сведено к любому типовому, что есть в наличии. Суть проблемы: импульсный блок питания оборудован фильтрующими конденсаторами емкостью по 5-10 нФ, соединяемыми с общей шиной на стороне выхода. Конденсаторы образуют некоторое подобие делителя, на котором относительно земли будет потенциал вполовину от сетевого. Так вот, теперь представьте, что вместе соединены два таких фильтра, но ввиду разброса номиналов конденсаторов у них всегда будут различаться напряжения - следовательно, через общую шину, соединяющую два устройства, будет протекать некоторый выравнивающий ток, могущий достигать значений до 1 мА на частоте 50 Гц и до 20 мА на частотах выше 1 кГц. Величина наводок на соединительном кабеле сопротивлением 0.1 Ом (2м кабеля сечением 0.35 мм по земле) составит до 2 мВ, что при амплитуде сигнала в 200 мВ (типовое значение, т.е. отношение сигнал/помеха 40 дБ) есть величина весьма заметная, недопустимая для высококачественного тракта звуковоспроизведения. Отсюда следует однозначный вывод о необходимости применения методов, способных ослабит уровень помех не менее чем на 30-40 дБ. Решением данного вопроса и занимается схема на рисунке 4 (приведен один канал). Это есть самый обычный дифференциальный усилитель на широко распространенном ОУ К157УД2.

Нажмите, чтобы загрузить схему отдельно
Рисунок 4.

При нормальной настройке схема может обеспечить ослабление помех и более чем на 40 дБ, но при необходимости этого лучше использовать более качественную микросхему (КР140УД25/26 - просто супер, но стоит дорого) и прецизионные резисторы. Регулятор громкости сделан по простейшей пассивной схеме, а вся нагрузка по формированию АЧХ возложена на программные средства ПК. С переменным резистором вышла накладка, так как его очень сложно купить, особенно должного качества, но в принципе вполне подойдет ступенчатый регулятор на базе галентика положений на 10-12 и на 4 направления. Как правильно подключать предварительный усилитель, показано на рисунке 5.


Рисунок 5.

Толстой линией обозначена шина общей земли, сечение провода 2.5 мм или больше. Она одним концом соединена непосредственно с корпусом компьютера, а второй конец разведен гибким проводом на 4 разъема типа Jack 3.5 по типу звезды и распаян на земляных контактах, сечение остальных экранированных кабелей не критично. Я использую экранированный провод МГТФЭ-0.12, поместив его в тонкую трубочку. На звуковой карте разъемы практически всегда типа Jack 3.5, когда позолоченные, когда нет, так вот, через них выводятся сразу два канала, каждый из которых должен быть соединен со своим разъемом усилителя. Земля штекера будет общая для обоих каналов. Не подключайте ее к общей шине, помехи от этого резко возрастут. Она должна быть подключена к предварительному усилителю так, чтобы оказаться соединенной с точками А. Точки В подключаются к соответствующим каналам. В качестве входных разъемов предварительного усилителя я использовал также Jack 3.5 как малогабаритные на три контакта, да и у звуковой карты аналогичные, так что использовать XLR нелогично, намного дороже, а прибавки к качеству практически никакой.

Источник дополнительного напряжения.

Причина его возникновения обсуждалась выше, осталось рассмотреть схемотехнику. Схема сего устройства представлена на рисунке 6.

Нажмите, чтобы загрузить увеличенную схему
Рисунок 6.

Как видно, это стандартный повышающий преобразователь на микросхеме UC3843, которая представляет собой полностью законченный ШИМ-контроллер с фиксированной частотой для управления мощным полевым транзистором. Данный преобразователь обеспечивает стабильное выходное напряжение 27.5 В с погрешностью не более 0.2 В при токах нагрузки от 0 до 200 мА. Все устройство собрано на отдельной плате и заключено в хорошо экранированный корпус, т.к. является сильным источником помех. Желающие более подробно ознакомиться с работой подобных приборов могут обратиться к книге "Микросхемы для импульсных источников питания и их применение" издательства Додека.

Конструктивное исполнение может быть любым, следите только, чтобы провода, идущие к силовым транзисторам, не становились слишком длинными, при самовозбуждении выходного каскада следует включить последовательно с затвором транзистора резистор на 200-510 Ом, подбирать экспериментально. Также стоит избегать образования земляных петель и шины питания вести проводом максимального сечения. Радиаторы не советую, каждый выбирает по возможности, но исходить следует из того, что температура корпуса транзисторов не должна превышать 90 град.С при максимальной мощности на корпус в пределах 15 Вт. У меня усилитель эксплуатируется только с компьютером, поэтому можно было сильно не заботиться о шуме системы охлаждения и закрепить все 8 транзисторов на едином радиаторе процессорного кулера Igloo 4200 Pro, разумеется, через тонкие изолирующие теплопроводные прокладки. Мощности данного устройства охлаждения хватает с избытком, температура редко больше 60 град.С.

Настройка происходит в 2 этапа:

  1. Устанавливают близкое к нулевому выходное напряжение резистором R3 и ток покоя усилителя мощности в пределах 300-400 мА резистором R8. При данном токе не должны проявлятся какие-либо искажения при любом уровне выходного сигнала.

  2. Настраивают на максимум подавления помех предварительный усилитель, для этого соединяют точки А и В вместе и подают на них некоторый сигнал в пределах 100 мВ частотой 1-3 кГц. Измеряя напряжение на выходе милливольтметром, при помощи R3 добиваются минимального выходного напряжения, не более 1 мВ.

Все, пробуйте, вносите свои идеи и не бойтесь экспериментировать, благо что КП723 очень прочные по току, я за время макетирования ни одного не спалил:-)).

Примечание

Весьма желательно изготовление усилителя мощности на одной плате вместе с предварительным усилителем, при этом уровень дополнительных помех по земляной шине будет минимальным, особенно если вы используете двухсторонний текстолит и одна сторона будет выполнять функцию земли.

Преобразователь питания на 27.5 В выполняется также на двухстороннем текстолите и должен быть размещен в экранированном корпусе. Место расположения не критично.

Детали:

Типы резисторов особого значения не имеют, сойдут как МЛТ, С1-4, так и любые импортные. Разумеется, от типов применяемых резисторов в некоторой степени зависит и звук и надежность усилителя, но для конструкции данного уровня не имеет смысла вдаваться в такие детали и покупать с2-14, С2-10 или подобные за 2-5 р. каждый.

Микросхемы К157УД2 не имеет особого смысла заменять на что-либо по причине достаточно хорошего звука и ее широкой распространенности вкупе с низкой стоимостью, единственное, о чем следует помнить, так это о разделении каналов - использовании обоих ОУ разделение каналов несколько уменьшается (насколько, не мерил).

Полевые транзисторы КП723Г можно заменить на их аналог IRLZ44, можно также попробовать использовать IRF540 или любые другие с низким пороговым напряжение (не более 2.5В), мощностью не менее 50 Вт, ток больше 7 А, предельное напряжение 50 В или более.

Другие транзисторы: КТ3107К-КТ3107Л, КТ313Г или любые другие с коэффициентом передачи по току h21э не менее 400 и граничной частотой fгр больше 100 МГц КТ3102БМ-также АМ,ВМ,ДМ и подобные высокочастотные с предельным напряжением Uкэ не менее 30 В, h21э не менее 100 и fгр не менее 100 МГц КТ3107Б-КТ3107И, КТ639А-Ж, КТ644А,Б, КТ668, КT685Б,Г, КП960, а также можно попробовать КТ9115.

Конденсаторы электролитические использовались JAMICON, однако подойдут по идее любые нормального качества. Советую провести процедуру электропрогона каждого конденсатора при номинальном рабочем напряжении в течении хотя-бы 10 минут, а затем измерить ток утечки, если он превышает 2 мкА на мкФ, то использовать конденсатор не следует. Неполярные конденсаторы могут быть как пленочные (что, вообще-то, лучше), так и керамические, единственное, так это не стоит использовать последние в преобразователе напряжения. Результат неудовлетворительный ввиду низкой стабильности параметров и большого разброса характеристик, особенно для емкостей больше 1000 пФ. Микросхему UC3843 заменять не советую, т.к. это связано со значительными доработками. В крайнем случае, можно использовать UC3842, однако она запускается при напряжении питания более 16 В, поэтому снизить его такой необходимости не получиться. Также встречаются аналогичные микросхемы UC1843, UC2843, отличающиеся более широким рабочим диапазоном температур (UC1843 -55 +125 град.С). Подойдут идеально. Диод Шоттки MBR160 заменяем на аналогичный с током не менее 1А и допустимым обратным напряжением более 20 В. КД247А-любой из этой же серии, а также КД226, КД257, КД258 и т.п. импульсные с обратным напряжением не менее 100 В и допустимым током 1А и более. Силовой транзистор BUZ90 заменяем на любой из серии КП707, а также IRF640,720,740,840 или любые другие в малогабаритном корпусе на ток больше 4 А, напряжение сток-исток не менее 100 В и затвор-исток 20В и более.

www.radist.izmuroma.ru