Жизнь, веб, XMPP, TAS, электронные самоделки

УМЗЧ на транзисторах (продолжение)

Нет, это не новая схема — это тот же самый усилитель, о котором я уже писал почти пару лет назад. Просто теперь эту схему надумал собрать мой друг, которого заинтересовал процесс сборки и возможные замены компонентов. Сначала я хотел написать ответ в группе «майтроника» на ВК, но потом решил, что можно было бы и написать новую статью для сайта.

Итак, вернёмся к схеме усилителя. Напомню, оригинал схемы представлен на сайте «радиокота».

Принципиальная схема

Усилитель собран по классической схеме, это практически классическая схема и есть. В этом, пожалуй, его главный плюс — в нём нет ровным счётом никаких «авторских» нововведений, присущих большинству других схем, таким образом, его принципы работы в деталях описаны во всех источниках, в том числе на «Википедии». По примерно такой же схеме устоены и «внутренности» операционных усилителей.

Входной дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT1 и VT2. Это, пожалуй, те самые транзисторы, к выбору которых предъявляются наиболее жёсткие требования. Хорошо подойдут MPSA42, 2N5551, КТ503. shade интересовался возможностью применения SMD-транзисторов BC846B. Они также сюда подойдут. Транзисторы следует подобрать с максимально близким значением коэффициента h21Э, чтобы не пришлось ставить схему балансировки.

Каскад усиления по напряжению выполнен на базе транзистора VT3.К нему в целом предъявляются те же требования — низкий коэффициент шума, достаточно высокое рабочее напряжение. Так как это транзистор структуры PNP, сюда подойдут MPSA92, 2N5401, КТ502, BC857B.

Далее следует непосредственно двухтактный выходной каскад. В этой схеме в каждом плече стоят аж три транзистора, что, в общем-то, позволяет пренебречь измерением их коэффициентов усиления. Если их значения будут слишком малы, это скомпенсируется их перемножением. Если плечи будут недостаточно симметричны, это скомпенсируется отрицательной обратной связью. Однако, проверка h21Э всё-таки рекомендуется, так как, во-первых, среди транзисторов нередко попадаются явно бракованные, с h21Э всего лишь около 2–3, во-вторых, чтобы не получилось так, что все транзисторы с большим h21Э стояли, например, в верхнем плече, а с меньшим — в нижнем. Тогда дисбаланс может достичь такого уровня, что даже ООС не сможет его скомпенсировать.

В качестве выходных транзисторов подойдут КТ805, КТ819 (как TO-220, так и TO-3), TIP41C, а также любые другие NPN-транзисторы, подходящие по мощности, току коллектора и напряжению. Требования к уровню шума здесь минимальны, так как дальше этот шум уже не будет ничем усиливаться. В эмиттерных цепях этих транзисторов установлены мощные резисторы низкого сопротивления (0.2–0.3 ома). Единственное их назначение — ограничение броска тока в момент старта, когда в усилителе происходят переходные процессы. Теоретически от них можно отказаться, а можно придумать устройство плавного запуска. Впрочем, если в блоке питания усилителя стоит значительная ёмкость (что, в общем-то, так и должно быть), напряжение в момент включения усилителя будет расти плавно по мере заряда конденсаторов питания, и необходимости в эмиттерных резисторах нет.

В предвыходном каскаде можно задействовать рекомендованные в статье КТ815, КТ817, BD139, иными словами, NPN-транзисторы средней мощности. По идее ничто не мешает также отказаться от использования пар VT7-VT9 и VT8-VT10 и поставить вместо них составные транзисторы КТ827 или TIP142 (хотя можно выбрать и менее мощные). В качестве VT5 и VT6 подойдут всё те же MPSA42/MPSA92 или BC846/BC857. В оригинале схемы несколько любопытным представляется использование некомплементарных (и даже различающихся по мощности) КТ601АМ и КТ203А. Мне, как человеку далёкому от проектирования, сложно судить о мотивах и эффективности такого решения, однако, я полагаю, что поставить комплементарные транзисторы в этом месте было бы лучше (к слову, я так и делал всякий раз при конструировании этого усилителя). Я также предполагаю, что резистор R13 использован, чтобы ограничить ток через менее мощный транзистор VT6 и, таким образом, от него можно отказаться. Примечательным является использование второго такого резистора на 150 Ом в позиции R8 — также в эмиттерной цепи транзистора КТ203А. Впрочем, оставим всё это на совести автора, так как сам усилитель в любом случае получился отменным.

Теперь рассмотрим каскад на базе транзистора VT4. Этот транзистор создаёт начальное смещение для составных транзисторов выходного каскада и обеспечивает плавную регулировку режима работы между крайними значениями (чистый режим B и чистый режим A) через компромиссный промежуточный режим AB. При первом включении питания движок подстроечника R11 должен находиться в верхнем по схеме положении, т.е. база транзистора VT4 должна быть замкнута на коллектор.

Налаживание усилителя разумно начать с тестового включения через 2 амперметра или лампы накаливания. Если в каком-то плече амперметр показал слишком большой ток, усилитель следует немедленно выключить и проверить на наличие ошибок монтажа или коротких замыканий. Если ошибок нет (или они успешно устранены) и усилитель включился успешно, следующим этапом нужно проверить наличие постоянного напряжения на выходе. Оно должно отсутствовать или быть незначительным (не более 100 мВ). Значительное напряжение на выходе может свидетельствовать об ошибках в монтаже (см. первую часть статьи). Ошибки следует устранить и включить усилитель снова.

После устранения ошибок (или в случае, если всё сразу пошло гладко) следует отрегулировать сквозной ток покоя выходного каскада движком подстроечного резистора R11. При этом следует помнить, что это крайне опасная операция: незначительный поворот движка может повлечь значительное изменение тока покоя и, таким образом, либо ток покоя сразу превысит максимально допустимый коллекторный ток выходных транзисторов и выведет их из строя, либо возникнет самоподдерживающийся (за счёт нагрева транзисторов) процесс повышения этого тока вплоть до выхода на закритическую отметку. Разумным представляется применение в качества R11 многооборотного подстроечного резистора. Также можно вообще отказаться от регулировки тока покоя, оставив усилитель в чистом режиме B. Как показывает практика, часто искажения в этом режиме неразличимы на слух (особенно когда слабым местом в системе является источник сигнала или акустика), а учитывая, что shade намерен использовать этот усилитель с «колоколом», предназначенным для воспроизведения преимущественно речи, можно смело утверждать, что заниматься регулировкой тока покоя бессмысленно. Можно вовсе исключить резистор R11 и транзистор VT4 из схемы, заменив их перемычкой (или не предусмотрев под них место на плате вообще). В том же случае, когда нужно всё же отдать предпочтение ненулевому току покоя, наиболее разумным представляется добиться как можно меньшего его значения (миллиампер 20-50).

После регулировки тока покоя следует повторно убедиться в отсутствии на выходе усилителя постоянного напряжения. Первый раз мы убеждались в его отсутствии с тем, чтобы проверить усилитель на возможность наличия ошибок, допущенных про сборке, теперь мы просто проверяем балансировку, зависящую от соотношения коэффициентов усиления транзисторов VT1 и VT2.

Стоит также отметить, что коэффициент усиления данного усилителя по напряжению всецело зависит от сопротивления резистора отрицательной обратной связи — R6. При указанном на схеме значении 10 килоом коэффициент усиления может оказаться недостаточным. Таким образом, представляется разумным поставить последовательно с этим резистором подстроечный резистор на 10-20 килоом и эмпирически подобрать оптимальное значение его сопротивления. Второй важный параметр усилителя — входное сопротивление — задаётся резистором R1.

В заключение приведу фото некоторых собранных мной экземпляров данного устройства (в одном из которых не хватает пары деталей :). Не все, в действительности я сделал их больше. Схема не капризная — заводится как часы с практически любым набором элементов и в достаточно широком диапазоне питающих напряжений.

Радиаторы небольшие, т.к. эксплуатируется усилитель в чистом режиме B на относительно небольшой мощности. Если предполагается эксплуатирование на мощностях, близких к максимальной, да ещё и с ненулевым сквозным током покоя, радиаторы должны быть в несколько раз больше.