Схема 1000 Вт усилителя мощности класса G

Мощный и термостабильный УМЗЧ класса G без электромагнитных помех, выходного LC-фильтра и других характерных недостатков, присущих D-классу

Если кто-то вдруг решил, что усилители мощности классов G или H – это хитро­сплетённая история об организации выходного каскада, то это не совсем то, что он подумал своей головой. Понимание принципов работы таких УМЗЧ отнюдь не нуждается в мощном мозговом штурме, сдобренном множеством страниц печат­ного текста, полутора литрами самогона и подбитым глазом оппонента, потому как режимы эти являются всего лишь развитием классов AB или В. Развитие это заключается в введении адаптивной системы питания выходного каскада, которая регулирует напряжение на нём в зависимости от уровня входного сигнала, что позволяет существенно повысить КПД и снизить тепловыделение.
А стало быть, берём разгон и, внушая уважение улиткам и эстонцам, стреми­тельно переходим к выдержкам из статьи уважаемого специалиста в области звукотехники Рода Эллиотта под названием «Усилители класса G/H».

Топология класса G

Ну в общем, как-то так. Однако, прежде чем перейти к практической реализации усилителя, позволю вставить свои несколько копеек:
Несмотря на функциональную схожесть классов G и H, принцип работы у них несколько отличается.
1. В классе G блок питания содержит два (или более) фиксированных уровней напряжения. Пока сигнал имеет малый уровень, выходной каскад питается от низковольтной шины. При превышении сигналом определённого (заданного) порога напряжения происходит дискретное переключение ВК на более высоко­вольтную шину, причём таких ступеней (шин) может быть несколько.
2. В усилителе класса H напряжение питания меняется плавно. Узел управления питанием постоянно «следит» за формой аудиосигнала и плавно и непрерывно подстра­ивается под его мгновенный уровень.
Поэтому схема, приведённая на Рис.1, строго говоря, не относится к усилителям класса G, а представляет собой выходной каскад устройств класса H. С другой стороны, поскольку в международной классификации не существует единого реестра данных режимов, и в различных странах одинаковые изделия могут обозначаться разными буквами, производители всё чаще консолидируют эти два типа УМЗЧ, именуя любые усилители с адаптивным напряжением питания – классом G.

А теперь немного полемики по схеме, приведённой автором на рисунке Рис.1.
Применение псевдосоставных транзисторов как в низковольтных (внутренних), так и высоковольтных (внешних) шинах ВК значительно повышает величины их напряжений насыщения, что приводит к неизбежному росту рассеиваемой мощности в рабочем режиме, а значит – и к ощутимому снижению КПД.
Поэтому, если уж мы решили сделать себе счастливую жизнь посредством максимально возможного снижения рассеваемой мощности на радиаторах, то транзисторы следует использовать обычные, т. е. одиночные. Разумеется, что мощность предвыходного каскада при этом придётся значительно увеличить, чтобы без напряга прокачать низкие входные сопротивления мощных оконечных транзисторов.

Ну а теперь – Схема усилителя мощности класса G.

Основой данной конструкции послужила схема усилителя класса В, подробно описанная нами на станице – «Схема простого 500 Вт усилителя мощности».

Рис.2 Схема усилителя мощности класса G

Собственно говоря, большая часть схемы, за исключением самой верхней цепи (на транзисторах Т6...Т8) и самой нижней (Т15...Т17), и есть тот самый 500 Вт усилитель класса В. Поэтому нет особого смысла описывать работу этого УМЗЧ, а для интересующихся – добро пожаловать на прогулку по ссылке.

А вот упомянутые внешние транзисторы Т6...Т8 и Т15...Т17 как раз и являются повышающими преобразователями напряжения питания и предназначены для включения непосредственно перед тем, как выходные транзисторы, запитанные от низковольтной шины питания, приближаются к режиму насыщения.
Благодаря использованию одиночных выходных транзисторов (а не составных), появилась возможность организовать смещение на базах внешних транзисторов не посредством 3.3V стабилитронов, а с помощью двух групп прямосмещённых диодов: D6...D8 и D9...D11. Это с одной стороны повысило КПД выходного каскада, а с другой – ни один стабилитрон не справился бы со значительным током предвыходного каскада, который при максимальных рабочих мощностях (не говоря уже о клиппинге) может составлять сотни миллиампер.

Резисторы R54 и R55 обеспечивают быстрое рассасывание зарядов на базовых ёмкостях транзисторов Т6...Т8 и Т15...Т17 в моменты переходов диодов D13, D14 из открытого состояния в закрытое, что, в свою очередь, необходимо для увеличения скорости переключения транзисторов и повышению КПД.
Помимо этого, для снижения коммутационных выбросов дополнительно вве­де­ны демпфирующие RC-цепи R26✓C14 и R31✓C15.

А теперь давайте посмотрим, когда и каким образом происходит регулировка напряжения питания для тразисторов выходного каскада.





Рис.3 Эффект повышения напряжения на шине питания УМЗЧ класса G

На верхней осциллограмме (Рис.3) амплитуда выходного сигнала составляет примерно ±27В, что соответствует мощности на 4-омной нагрузке 90 Вт. При таких условиях работа выходного каскада, запитанного от низковольтной шины (±35В), происходит в линейной в области и есть достаточный запас до момента перехода его в режим насыщения. Т. е. в этом режиме внешние транзисторы закрыты, а внутренние питаются от низковольтного источника.

Нижняя осциллограмма иллюстрирует максимальную амплитуду выходного сигнала (при выходной мощности 500 Вт на 4-омной нагрузке). Разумеется, что напряжения низковольтных шин недостаточно для достижения такой мощности. Поэтому здесь во всю мощь трудятся внешние транзисторы, поддерживая напряжение питания внутренней секции примерно на два вольта выше уровня выходного сигнала, то есть ровно настолько, чтобы предотвратить насыщение транзисторов.

Далее приведём сравнительные таблицы зависимости КПД выходных каскадов от выходной мощности для усилителей: класса B, описанного в статье «Схема простого 500 Вт усилителя мощности» и класса G, схема которого приведена на Рис.2 выше.

УМЗЧ класса В					УМЗЧ класса G
Выходн.  мощ-  ность	Потреб-  ление  от ИП	В  тепло	КПД		Выходн.  мощ-  ность	Потреб-  ление  от ИП	В  тепло	КПД
10 Вт	100 Вт	90 Вт	10%		10 Вт	50 Вт	40 Вт	20%
25 Вт	159 Вт	134 Вт	16%		25 Вт	79 Вт	54 Вт	32%
50 Вт	224 Вт	174 Вт	22%		50 Вт	111 Вт	61 Вт	45%
100 Вт	316 Вт	216 Вт	32%		100 Вт	157 Вт	57 Вт	64%
150 Вт	388 Вт	238 Вт	39%		150 Вт	270 Вт	120 Вт	56%
200 Вт	447 Вт	247 Вт	45%		200 Вт	351 Вт	150 Вт	57%
300 Вт	547 Вт	247 Вт	55%		300 Вт	473 Вт	173 Вт	63%
400 Вт	630 Вт	230 Вт	63%		400 Вт	573 Вт	173 Вт	70%
500 Вт	703 Вт	203 Вт	71%		500 Вт	642 Вт	142 Вт	78%

Анализы проведены при подаче на вход непрерывного синусоидального сигна­ла. Такой режим весьма далёк от режима работы с реальными музыкальными источниками и с точки зрения тепловыделения является самым сложным для УМЗЧ, но тем не менее...
Налицо заметное повышение КПД усилителя класса G по сравнению с классом В, что на практике даёт возможность применения радиаторов с вдвое меньшей площадью. Помимо этого, благодаря меньшим потерям, можно использовать трансформаторы с более низкой габаритной мощностью.

Поскольку в приведённом усилителе класса G мощность распределяется между транзисторами внутренних и внешних шин, то их количество в каждом плече может быть меньше, чем в УМЗЧ класса В. Теоретически для 500 Вт усилителя допустимо запараллелить по два транзистора. Однако требования надёжности для подобных устройств сподвигли на использование 3-ёх полупроводников, а для киловаттных мощностей (на 2-омной нагрузке) я бы рекомендовал добавить ещё по одному, а лучше по два транзистора.

Защита от постоянки на выходе усилителя необходима для любого агрегата с двухполярным питанием. Однако, если вы предполагаете его использовать для концертной деятельности, то неотъемлемой частью усилителя также должны стать защиты от превышения тока, перегрева и (желательно) клиппинга.
При построении устройства защиты от превышения тока или КЗ напряжение, свидетельствующее о перегрузке, следует снимать с низкоомных резисторов внутренних выходных транзисторов. Также следует иметь в виду, что в аварийной ситуации будет достаточно схемотехнически заблокировать подачу входного сигнала, так как без него данный усилитель КЗ не боится и ток в нагрузку не подаёт. Такой же метод подойдёт и в случае перегрева радиаторов, когда никакие другие дополнительные средства охлаждения не помогают.

Что касается основных характеристик усилителя, то они идентичны параметрам усилителя класса В, взятого за основу:

Настройка также ничем не отличается:

1. Перед включением питания подстроечный резистор R8 следует установить в среднее положение, R11 – в положение, соответствующее максимальному сопро­тивлению.
2. Подключить питание и, ориентируясь на напряжение на выводах R24, устано­вить ток стока Т4 – 50 мА.
3. Посредством R8 выставить нулевое напряжение на выходе.