Мощный УНЧ на полевых транзисторах
Схема простого высококачественного усилителя мощности звуковых частот с выходной мощностью 200Вт
"Простота – залог успеха!". Древняя и мудрая мысль, которая в технических областях приобретает следующий смысл – "Чем решение проще,
тем оно работоспособнее".
А каким, интересно, боком это имеет отношение к звуковым усилителям? Отвечу – нормальным боком, самым непосредственным. Чем проще схема
УМЗЧ – тем музыкальнее этот усилитель будет звучать!
"Лжёшь, собака! Аз есмь сторонник усилителей мощности высокой верности звучания с длинными и глубокими ООС и сверхнизкими значениями
нелинейных искажений", – негодуя, возразит "продвинутый" схемотехник, проштудировавший подшивку журналов "Радио" 80...90-ых годов
выпуска.
Спорить не буду, предположу лишь, что сторонники этой точки зрения вряд ли знакомы со звучанием четырёхтранзисторного
усилителя мощности JLH Джона Линсли Худа 1969 года разработки, да и простые, как ситцевые трусы, но очень музыкальные усилители на
германиевых транзисторах, вероятно, прошли стороной мимо их просвещённых ушей. Про однотактные усилители на полевиках Нельсона Пасса
даже не буду упоминать – не слышали, не видели, а если бы увидели, так и слушать бы не стали.
А с интересующимися мы подробно порассуждали "Как построить хороший УНЧ на транзисторах" в одноимённой статье на странице
(ссылка на страницу).
Понятное дело, что при 200-ваттной мощности загонять выходные транзисторы УНЧ в режим А, который является идеальным с позиции минимизации
тепловых и коммутационных искажений, а также возможности обойтись местными ОС – дело нерациональное как с точки зрения КПД, так и с
точки зрения массогабаритных характеристик.
Поэтому наша цель – усилитель, работающий в режиме АВ, с максимально неглубокой и короткой межкаскадной ООС, позволяющей уложиться
в приемлемые значения коэффициента нелинейных искажений.
Рис.1 Схема 200-ваттного УМЗЧ на полевых транзисторах
Схема реализована на распространённых MOSFET-транзисторах без использования каскадов дифференциальных усилителей,
что в совокупности позволило снизить в спектре нелинейных искажений уровень 3-ей гармоники, вносящей наибольший диссонанс
в звучание звуковых трактов.
Выходные транзисторы Т4 и Т5 включены по схеме с ОИ, позволяющей (в отличие от схемы с ОС) получить усиление не только по току, но и по
напряжению. Это, с одной стороны, снизило требования к каскадам предварительного усиления, с другой – обеспечило размах
максимальной амплитуды выходного сигнала, близкий к напряжению источника питания.
Усилительный каскад на транзисторе Т2 работает в режиме общий-исток для входного сигнала, поступающего на затвор транзистора, и в режиме
общий-затвор для сигнала отрицательной обратной связи, идущего с выхода усилителя на исток транзистора Т2.
Нагрузкой этого каскада служит источник тока, выполненный на транзисторе Т3, что позволило
(по сравнению с резистивной нагрузкой) значительно снизить уровень нелинейных искажений.
Относительно высокий ток покоя этого каскада обеспечивает его низкое выходное сопротивление, желательное для прокачки высоких емкостей выходных полевиков и возможности
дополнительного увеличения выходной мощности путём включения нескольких выходных транзисторов в параллель.
На транзисторе Т2 рассеивается около 1Вт в виде тепла, поэтому его будет не лишним посадить на небольшой радиатор.
Назначение резистивного делителя R16, R17, R19 – снижение напряжения стока Т2 (рабочей точки каскада) при сохранении гальванической связи с затвором
Т4. Это позволило дополнительно уменьшить нелинейность каскада при сохранении общей ООС по постоянному напряжению.
Токи покоя выходных транзисторов определяются уровнем напряжения на затворе транзистора Т5. Этот уровень,
а соответственно, и токи покоя в районе ~150 мА выставляются посредством многооборотного подстроечного резистора R20.
Значение нулевого напряжения на выходе УМЗЧ устанавливается при настройке таким же многооборотным подстроечником R7.
Поскольку связка транзисторов Т2-Т4 охвачена ООС по постоянному току, то она по совместительству является ещё и цепью,
стабилизирующей нулевой уровень выходного напряжения.
Применение резисторов относительно высокого номинала в истоках выходных транзисторов обеспечивают
приличный уровень температурной стабильности УМЗЧ. Однако если вы сочтёте её недостаточной (а скорее всего, так и будет), то для
дополнительной стабилизации температурного режима следует стабилитроны D3 и D4 закрепить на радиаторе охлаждения выходных
транзисторов. Данные элементы были выбраны с низким уровнем стабилизации (3.3 В), так как именно низковольтные стабилитроны
отличаются отрицательным температурным коэффициентом (ТКН).
Прежде чем приступать к настройке УНЧ, построечные резисторы R7 и R20 следует выкрутить в нижнее по схеме положение,
в результате чего при включении питания на затворе Т2 установится нулевое значение напряжения, а на затворе Т5 – минус Еп, т. е. оба выходных
транзистора окажутся закрытыми.
Далее, включив амперметр между выходом усилителя и землёй, резистором R20 следует добиться показаний прибора: 140...170 мА.
После этого вместо амперметра можно подключить вольтметр и посредством резистора R7 установить нулевое значение напряжения на выходе усилителя.
Итак, цель достигнута! Короче получившейся ООС, охватывающей два каскада, может быть только местная внутрикаскадная связь. Коэффициент
усиления двухкаскадной цепи по напряжению составил 18 дБ, полоса пропускания по уровню 3дБ – 5Гц....1 Мгц, а реакции на входные импульсные
сигналы частотами 1 и 10 кГц наглядно продемонстрированы на рисунке, приведённом ниже.
Рис.2 Реакция усилителя на импульсные сигналы частотами 1кГц (сверху) и 10кГц (снизу)
Для получения приемлемой входной чувствительности УМЗЧ (около 1В) необходим драйвер, т. е. каскад, обладающий некоторым коэффициентом
усиления (в нашем случае – около 5).
С этой функцией замечательно справился мощный полевик Т1, включённый по схеме с ОИ и
работающий при значительном токе покоя. Не один менее мощный транзистор на месте IRFP140 не смог обеспечить сопоставимый уровень нелинейных искажений,
а также спектральный состав гармоник, аналогичный ламповому каскаду с общим катодом.
Конденсатор С4, подключённый параллельно резистору R8, ограничивает сверху полосу излишних частот, поступающих на основные
каскады усиления мощности, на уровне 40кГц.
Ввиду большой входной ёмкости (Сзи) IRFP140 – выходное сопротивление каскада предварительного усиления, работающего совместно с данным УМЗЧ,
не должно превышать величину 1 кОм. Это может быть либо выход истокового (катодного, эмиттерного повторителя), либо, на худой конец, выход операционного
усилителя.
В качестве такого каскада с успехом может выступить темброблок на полевиках, схему которого мы подробно рассмотрели на странице
(ссылка на страницу).
Итак, что же мы получили в чистом остатке? А получили мы следующее:
1. Полоса пропускания усилителя по уровню -3дБ, ограниченная сверху фильтром
R8С4: 5 Гц...40 кГц;
2. Умеренный, вплоть до заявленных 200Вт, коэффициент гармоник Кг: от 0.006%
до 0.03%;
3. Уровень 3-й гармоники в спектре нелинейных искажений на 8дБ ниже уровня 2-й,
что делает субъективное звучание усилителя более "мягким" и близким к лампе;
4. Ограничение длины межкаскадной отрицательной обратной связи обуславливает
пропорциональное снижение переходных искажений, вызванных запаздыванием
сигналов в ООС, и гарантирует отсутствие пресловутого "эффекта транзисторного
звучания".
Подобно ламповым устройствам, данный усилитель будет оптимально работать на высокочувствительную акустику с импедансом около 8 Ом. При желании
выжать из него максимальную мощность при 4-омной нагрузке, в каждом плече УМЗЧ следует
использовать по паре параллельно соединённых выходных транзисторов.
Разумеется, что данные полевики, входящие в пары, желательно подобрать по идентичности величины
напряжения Uзи при заданном токе стока. О том, как это можно сделать,
подробно написано на странице – (ссылка на страницу).
А теперь пару слов о питании УНЧ. К сожалению, простота – это не только залог успеха, но и штука, зачастую требующая определённых жертв.
В данном случае присутствует весьма неприятный эффект, проявляющийся в виде броска тока в момент включения питания, который вполне может
вывести из строя выходные транзисторы. Решением этой проблемы могут выступить резисторы по 10...15 Ом последовательно с шинами питания, которые будут
замыкаться контактами реле, срабатывающим с некоторой задержкой после подачи напряжения.
Другим вариантом могут стать электронные дроссели (предназначенные для уменьшения пульсаций ИП), которые зачастую обладают полезной функцией
плавного нарастания напряжения при включении питания.
А на следующей странице опубликуем вопросы–ответы по теме данного девайса.
|
