Усилитель Дорофеева – усилитель мощности в режиме “В”

Принципиальная схема и описание усилителя мощности на одном ОУ и четырёх транзисторах. Высокий КПД и температурная стабиль- ность при низком уровне нелинейных искажений

Двухтактные транзисторные усилители мощности ЗЧ, работающие в режиме В, обладают рядом очевидных достоинств, таких как: высокий КПД, возможность получения большой выходной мощности, высокая температурная стабильность.
Ток покоя выходных транзисторов практически равен нулю, что обеспечивает температурную стабильность каскада, но из-за кривизны начального участка входной характеристики транзисторов в выходном сигнале появляются характерные нелинейные искажения типа «ступенька», а сигналы малого уровня вообще не усиливаются.
Как избавиться от этих искажений – предложил в статье "Режим В в усилителях мощности ЗЧ" (журнал «Радио» № 3 за 1991 год) М.Дорофеев.

С точки зрения автора, эти искажения возникают из-за неправильного использования транзистора как усилительного прибора. Дело в том, что транзистор является усилителем тока, а его заставляют выполнять несвойственные ему функции усилителя напряжения.

В усилителях напряжения сигнал на выходной транзистор подаётся от источника с малым внутренним сопротивлением, т.е. от генератора напряжения. В результате всё напряжение сигнала падает на входном сопротивлении транзистора, и ток его базы целиком определяется величиной входного сопротивления. А поскольку эта величина на начальном участке входной характеристики очень велика – ток базы чрезвычайно мал. Только тогда, когда величина входного сигнала превысит по рог открывания транзистора (примерно 0,6 В) и входное сопротивление уменьшится до единиц кОм или меньше, ток в цепи базы начинает увеличиваться.

В усилителях же тока сигнал на транзистор подаётся от источника с большим внутренним сопротивлением, т.е. от генератора тока. В этом случае ток в цепи базы транзистора мало зависит от входного сопротивления и определяется в основном внутренним сопротивлением источника тока. Кривая зависимости тока коллектора от тока базы проходит через начало координат и на начальном участке почти линейна.

Исходя из изложенных соображений, автором статьи были разработан усилитель мощности ЗЧ класса В, в котором использован операционный усилитель (Рис.1).


Рис.1 Принципиальная схема усилителя мощности ЗЧ класса В

Усилитель работает в режиме В, поскольку начальное смещение на базах транзисторов выходного класса отсутствует и их токи покоя равны нулю. Выходные транзисторы управляются коллекторными токами транзисторов VT1 и VT2, которые включены по схеме ОЭ с резистором в цепи эмиттера и имеют большое выходное сопротивление.

Использование ОУ даёт следующие возможности:
Большой коэффициент усиления ОУ позволяет увеличить глубину ООС и снизить % искажений.
Появляется возможность довольно просто ввести положительную обратную связь (с помощью цепи C2R4) нужной глубины, что улучшает переходную характеристику усилителя.

Использование токового управления выходным каскадом в совокупности с ОУ и общей ООС позволяет значительно снизить собственные искажения исходного усилителя.
Операционный усилитель включён по инвертирующей схеме, обладающей хорошей устойчивостью.

Основные параметры усилителя:

Немаловажным достоинством обоих усилителей является то, что постоянное напряжение на их выходах устойчиво поддерживается на нулевом уровне (с точностью до единиц мВ) за счёт сильной ООС по постоянному току.

Выходные транзисторы VT3, VT4 размещены на одном теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 600 см2.

На Рис.2 изображена зависимость температуры теплоотвода от выходной мощности.

Транзисторы VT1 и VT2 размещены на отдельных теплоотводах, каждый с площадью охлаждающей поверхности по 60 см2.


Рис.2 Зависимость температуры выходных транзисторов от мощности

Усилители запитываются от стабилизированных источников. В противном случае – следует повысить напряжение питания на 10% и увеличить площадь теплоотвода для выходных транзисторов.

Налаживание усилителей сводится к подбору напряжения между базами транзисторов предвыходного каскада до значений 0,4-0,5 В. Практически это делается путём подбора резисторов R7, R8. Затем резистором R5 устанавливают нулевое напряжение на выходе усилителя. После этого нужно подключить к выходу усилителя нагрузку и подобрать резистор R13 по минимуму искажений на частоте 20 кГц.

Транзисторы подбора не требуют. При подключении реальной нагрузки может потребоваться подбор корректирующего конденсатора С6.

Вместо ОУ К140УД8А можно использовать ОУ того же типа с любым индексом, а также К574УД1 и К544УД2.

Несмотря на то, что УМЗЧ класса В – редкий гость в закромах радиолюбительских конструкций, за несколько десятилетий своего существования усилитель Дорофеева доказал свою состоятельность, надёжность и приличное качество звучания. Поэтому в полной мере может быть рекомендован к самостоятельной сборке начинающему радиолюбителю.
Схема усилителя Дорофеева, выполненная на современной элементной базе, приведена на Рис.3.


Рис.3 Схема усилителя Дорофеева на современной элементной базе

Схема настолько проста и хорошо продумана, что допускает такие вольности, как исполнение на макетной печатной плате.

Рис.4 Вариант исполнения усилителя Дорофеева на макетной плате

Вот, что пишет уважаемый "neo_work", собравший усилитель и опубликовавший это фото, на форуме radioskot.ru:
«Питание после диодов и баночек в 10000х2 – по 24.2В на плечо. Заработал усилочек сразу же, дури нормально, звук приятный, транзисторы холодные. Все номиналы такие же, как на схеме.
Схема имеет место быть, проста в сборке, не требует, по сути, наладки и состоит из крайне распространённых деталей.
Питание НЕстабилизированное. Звук вполне себе качественный, уши от ВЧ не закладывает, мозг от НЧ не колыхается.
Что, если не подобные конструкции собирать людям, которые лишь начинают своё путешествие в мир радиоэлектроники и УНЧ? При верном монтаже, все работает сразу же!
В дальнейшем, погоняв Дорофеева, понял, что такой большой радиатор ему вовсе не требуется».

Комментарий Vpayaem.ru:
Из обилия различных схемотехнических модификаций усилителя Дорофеева я бы отмёл варианты, в которых между базами и эмиттерами выходных транзисторов подключаются резисторы номиналами порядка единиц килоом и ниже. При таком включении генераторы тока на VT1 и VT2 превращаются в генераторы напряжения с выходным сопротивлением, равным величине этих резисторов. Это сводит на нет идею уважаемого автора, а также требует для снижения нелинейных искажения типа «ступенька» наличия определённого тока покоя выходных транзисторов и увеличения глубины ООС.

К тому же не следует пытаться (как это приводится в некоторых источниках) сажать предвыходные транзисторы VT1 и VT2 на один радиатор с выходными VT3 и VT4. В этом случае при нагреве полупроводников существует опасность перехода выходного каскада из режима В в режим AB.