Применение полевых транзисторов в аудио усилителях

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: УМЗЧ на транзисторах

Опубликовано: 19.03.2017 15:51

Просмотров: 7771

А.Г. Зызюк, г. Луцк
Интерес к использованию ПТ у радиолюбителей постоянно растет. Поэтому рассмотрим ряд интересных случаев, связанных с практическим применением ПТ в простых схемах аудиоусилителей
За последнее десятилетие разработчики электронной техники стали применять ПТ чрезвычайно широко. Особенно это заметно в ВЧ и СВЧ аппаратуре. Радиолюбители не спешат к такому широкому использованию ПТ. Здесь сказываются стереотипы. Они складывались очень долго. Наложило свой отпечаток на подходы в конструировании и отсутствие в течение многих лет нужных по параметрам ПТ. Но сейчас уже почти нет прежних проблем с несовершенством параметров новых ПТ. Осталась лишь финансовая сторона вопроса.

Современные малошумящие СВЧ ПТ все еще дорогостоящие для радиолюбителя. Даже мощные комплементарные ПТ серий SJ и SK, специально разработанные для аудиоусилителей, все еще весьма дороги.
Однако существует уже немало таких ПТ, которые разрабатывались для решения одних задач, но нашли свое место также в совсем иных применениях. Речь идет об широко представленных на рынке ПТ фирмы IRF. Они представлены весьма широко, да в народные массы входят довольно медленно. Работающие в импульсных блоках питания, такие ПТ хорошо работают и в разных усилительных схемах.
Весьма привлекательны в радиолюбительстве схемы истоковых повторителей, т.е. схемы с общим стоком (ОС). В звукотехнике, да и не только, такие схемы - находка.
Основное ее применение - в двухтактных выходных каскадах УМЗЧ. Схема с ОС привлекательна по ряду причин. Автору этих строк пришлось и самому
проходить «эволюцию развития схемотехники» от транзисторов к лампам, затем от ламп к транзисторам и операционным усилителям (ОУ), позже уже в комбинированном, совместном использовании радиоламп транзисторов и ОУ. Весьма интересные результаты, в плане качества звука, получались при совместном применении ламп и ПТ (схем с ОС). В дальнем зарубежье радиолюбители столь сильно не обременены повсеместным безденежьем. Это хорошо заметно по появлению новых многочисленных публикаций в отношении аудиоусилителей.
О важности экспериментов и о качестве звука
На эксперименты требуется очень много времени. Тем не менее, именно эксперименты расставляют «все точки над i». В результате, за рубежом возникло много разных течений что касается выбора схемотехники аудиоусилителей. Замечательно и то, что все чаще в конструкциях применяется вместе различная элементная база. Можно наблюдать совместное использование ламп, ОУ, биполярных и полевых транзисторов.
Наблюдается своеобразное примирение ранее враждующих между собой направлений. Оно и хорошо. Нужно отказываться от стереотипов, если они мешают в творческом развитии.
К сказанному можно добавить, что проблема «нагруженных» регуляторов громкости упомянутая в [1],является чрезвычайно распространенной фактически повсеместной и присущей большинству именитых и солидных любительских и фирменных конструкций. Строгие, десятилетиями выдерживаемые «каноны» наложили свой отпечаток на схемотехнику многих УМЗЧ. Особенно ярко проблема регуляторов громкости проявляется (она просто слышна) в УМЗЧ с «биполярным» входом.
Замечательно то, что после установки схемы с ОС в УМЗЧ (с биполярными транзисторами на входе), намного легче удается диагностировать недостатки звучания непосредственно УМЗЧ. Ведь эксперименты на большой громкости не только утомительны для самого себя, но и для окружающих. Но на малой громкости эксперименты также осложнены или невозможны, так как на малой громкости сложно услышать многие нюансы, которые становятся слышны с повышением громкости. Особенности нашего слуха далеко не всегда позволяют работать, испытывать и проверять схемы посредством наушников (головных телефонов). Музыка, играющая в голове, кроме того, не только утомляет, но и вредит нашему здоровью. В зависимости от музыкальных произведений и громкости, или звуковая терапия, или же, наоборот, «шоковая

терапия». К тому же, со временем от наушников ухудшается слух. Таким образом, нужна «чувствительная» к искажениям (УМЗЧ) и качеству звука акустика, соответствующая громкость и достаточная масса свободного воздуха(пространства), чтобы услышать достоинства и недостатки схемы. Ну и, едва ли не первостепенно, соседи и родственники, способные все это стерпеть.
Хорошо, что радиолюбители  народ творческий и не зацикленный всецело на правилах или стандартах. Именно «продвинутые» радиолюбители из дальнего зарубежья и разрушили сложившиеся каноны и устоявшиеся правила в конструировании техники. Впрочем, качественная зарубежная техника никогда не была загнана в слишком тесные рамки стандартов. Иначе вышло бы, как было всегда у нас: «втиснуться» в какой-либо класс аппарата, а дальше производителю можно ничего и не делать. Минимум достигнут, остальное ни к чему. Надо только наращивать производство.
Самый большой урон в таком подходе состоит в том, что всех покупателей отечественной аппаратуры, поневоле, но медленно и уверенно приучали к плохому качеству звука. Ведь если не с чем сравнивать по звучанию, то постепенно складываются такие стойкие стереотипы и мнения, что их разрушить сложно или даже невозможно.
Пока в нашей технике любого «класса» (группы сложности), вплоть до высшего повсеместно навязывали К157УЛ1А и К157УД2, за рубежом массово применяли ПТ.
Их устанавливали как во входных каскадах усилителей воспроизведения и корректоров звукоснимателей, так и в УМЗЧ.
К сожалению, современная техника больше ушла в эргономику и дизайн, оставив качество звука на втором плане. Все делается во имя легкого привлечения покупателя. Поэтому сейчас многие аудиофилы стараются приобретать, например, далеко не самые новые усилители (УМЗЧ).
К счастью, многие люди стали не только слышать искажения звука, но и минимизировать их. Благодаря нестандартным подходам появилось множество новых аудиоконструкций различной «конфигурации». Выяснилось немало совсем нового или же позабытого, но, главное, неординарного, позволяющего найти недостатки в старых схемах и кардинально улучшить качество звука.
Схемы с общим стоком, нюансы и практическая сторона вопроса
Весьма полезно принимать в свой арсенал все новое и прогрессивное, не забывая о проверенном старом. Проверенное «старое», какими, например, являются схемы на ПТ с ОС (рис.1), выручает очень часто.
Для того чтобы не потерять, в потенциале, при использовании схем ОС, нужно помнить несколько важных вещей.
1.  Выходное   сопротивление схемы с ОС напрямую связано с крутизной ПТ.
2.  Крутизна (S) зависит от конкретного типа ПТ. От экземпляра транзистора S тоже зависит, но уже не так значительно.
Если у маломощных ПТ, например, КПЗОЗД крутизна S не менее 2,6 мА/В,то у мощных ПТ она в тысячи раз больше! Для ПТ типа КП902 S=10...30 мА/В, для КП901 3=50...170 мА/В, КП904 S=150...520 мА/В, для КП922 S=1000...2100 мА/В,

для IRF510 S≥1300 мА/В (1,3 A/B),IRF540 имеет S≥8700 мА/В (8,7 А/В).
Разница между первым и последним из приведенных ПТ колоссальная, больше чем в три тысячи раз. А выходное сопротивление схемы с ОС равно 1/S. Вот почему так важен этот параметр в данной схеме.
При большой крутизне ПТ не возникает уже никакой необходимости добавлять после ПТ биполярный транзистор.
Впрочем, построение каскада зависит от нагрузки, на которую должен работать каскад с ОС. Если схема с ОС работает на входное сопротивление УМЗЧ (усилителя мощности звуковой частоты), представленное десятками килом, то КПЗОЗД вполне хватает, чтобы «разгрузить» регулятор громкости от входа УМЗЧ, включив между УМЗЧ и движком регулятора громкости на КПЗОЗД схему с ОС, например, согласно простой схеме рис.5 [1].
Если входное сопротивление (Рвх) УМЗЧ небольшое (менее 10 кОм), то вместо схемы на КПЗОЗД надо применить схему рис.1. При размещении схемы рис.1 вблизи входа УМЗЧ резистор R9 закорачивают. Без него выходное сопротивление
схемы уменьшается в 4 раза, с 200 Ом до 50 Ом. Когда RBX УМЗЧ менее 1 кОм, используют схему рис.2 (без цепи R10C9).
При работе на чисто резистивную нагрузку (резистор инверсного входа ИМС УМЗЧ) схемы рис.1 и рис.2обычнонесамовозбуждаются.
Генерация, как правило, начинает появляться при комплексных нагрузках. Транзисторы серии IRF, как более «медленные», менее требовательны к монтажу. Как и в предыдущем случае, размещение схемы рис.2 возле входа УМЗЧ позволяет обойтись без антипаразитных элементов L1R9,заменив их перемычкой.
Схема рис.2 достаточно мощная, в «потенциале», если обеспечить соответствующие режимы по току VT1 и VT2. Не случайно выбраны именно ПТ типа IRF510 (Uси=100 В, lc=5,6 А; Рмакс=43 Вт).
На сегодняшний день наиболее выгодными в приобретении оказываются другие ПТ типа IRF540 (Ucи=100 B,lc=28 А; Рмакс=150 Вт). Сейчас эти ПТ обеспечивают наилучшее соотношение параметры/цена. Несмотря на разницу «в разы» двух сравниваемых ПТ по параметрам, цены у них почти одинаковые. Это просто чудеса нашей торговли комплектующими.
В схеме рис.2 важно иметь ПТ с малой входной емкостью Сзи. Для IRF510 она составляет 180 пф, а у IRF540 - 1500 пФ. Иначе говоря, в 3,5 раза более мощный IRF540 оказывается почти в девять раз более «емкостным». Такова плата за технологию мощных «вертикальных» ПТ. Установка в схему рис.2 150-ваттных IRF540 не позволяет ее использовать для высококачественной работы от высокоомного источника сигнала, из-за проблем с перезарядом емкости Сзи.
Мощные ПТ не подходят для «разгрузки» регуляторов громкости, сопротивление которых достигает сотен килом. Дорогостоящие КП901, особенно КП904, для низких частот сейчас все больше становятся роскошью. Следует отметить, что эти замечательные ПТ еще долго не снимут с производства. Причина кроется в очень хороших параметрах на ВЧ. Фактически имеем советскую «Тошибу». Серия дешевых IRF510 уступает им по частотным свойствам, но их меньшая цена (в 3-5 раз и более) определяющий фактор при выборе ПТ.

Главное отличие схем рис.1 и рис.2 от предыдущих авторских схем на МДП - ПТ состоит в том, что данным схемам не требуется стабилизированное питание.
Микросхемные стабилитроны VD1 и VD2 типа TL431 справляются с задачей стабилизации режимов работы ПТ. Отметим, что TL431 часто реализуют по ценам обычных стабилитронов.
Так что о финансовом перерасходе нет и речи.
В предлагаемых схемах использован простейший, но и самый надежный без резисторный вариант включения TL431 двухполюсником. В таком варианте нет подборных резисторов, обязательных для типовой схемы TL431. В результате, вместо трех деталей, вместе с TL431 - одна в схеме рис.1 (т.е. вместо 6 деталей  две шт. TL431) и две вместо трех (4 вместо 6 деталей) в схеме рис.2. Получаем стабильное напряжение 2.5 В для Uзи в схеме рис.1 и 5 В (Uзи) в схеме рис.2. Поскольку в схеме рис.1 ПТ серии IRF работать не будут, их применяют в схеме рис.2. Напряжение 2,5 В очень удобно подходит для управления режимами МДП ПТ типов КП901, КП902 и КП904. Напряжение 5 В требуется для серии IRF. Стабильность напряжения источников опорного напряжения (ИОН) достаточная даже без применения генераторов стабильного тока (ГСТ) вместо резисторов R2 и R5. В случае, когда необходимо было повысить стабильность ИОН, взамен R2 и R5 использовали ПТ. При питающем напряжении не более ±25 В в качестве ГСТ применяют ПТ типа КПЗОЗД. Их включают по простейшей схеме двухполюсником (затвор замкнут с истоком и подключен к «минусу» питания). Так включены VT3 и VT4 на рис.3.
Схема рис.1 менее критична к напряжению ИОН (ТL431),чем
схема рис.2. Связано это с намного большей зависимостью тока стока от Uзи (крутизной ПТ, S=∆Iс/∆Uзи) у ПТ типа IRF510, чем у КП901, 902 или даже КП904.
Еще о нюансах
Оксидные конденсаторы в обеих схемах необходимы для исключения влияния «нуля» с истока VT1 на смещение «нуля» УМЗЧ. Их суммарную емкость выбирают из простого расчета:
с≥1000/ (FH*RBX), где:
RBX - входное сопротивление УМЗЧ, в кОм;
FH - «нижняя» частота в Гц;
Величину С получают в мкФ.
На пример, при Rвх=1кОм и Fн=10 Гц, С должен иметь номинал 100 мкФ или больше.
Крупногабаритные «вольтажные» конденсаторы тут не нужны, поскольку здесь нет больших напряжений на их выводах. В то же время, их наличие не столь угрожающе для качества звука, как «электронные» (усилительные) искажения высоких порядков. Из теории, например, известно, что одна только замена во входном каскаде БТ на ПТ дает выигрыш в линейности до 100 раз. Усилительные элементы схемы всегда «впереди» в создании искажений. Затем уже следуют и пассивные элементы.
Если в УМЗЧ нет защиты АС от появления постоянного напряжения на выходе УМЗЧ, то ее нужно применить. В функции такой защиты должна входить временная задержка подключения АС после включения питания УМЗЧ и схемы рис.1 или рис.2 . Вполне типовая задача обычной системы защиты АС. Иначе, без защиты при включении УМЗЧ, АС будет «громыхать».
Конструкция
На фото показана плата одной
конструкции,    изготовленной
согласно рис.1. В данном случае вместо IRF510 установлены ПТ типа IRF610, имевшиеся в наличии на тот момент. Схема немного упрощена за счет исключения элементов R8L2 и R9L1. Вместо R8L2 установлена перемычка. При работе на инвертирующий вход УМЗЧ схема не вызывает проблем на ВЧ. В качестве С2 и С5 применены 470 мкФ (вместо 100 мкФ) с малым значением ESR,поэтому С2 и С5 не установлены.
При   токе покоя 35 мА и напряжении питания не более ±15 В радиатор для транзисторов   не  обязателен, поэтому теплоотводов на фото нет.
Автор остановился на таких конструкциях неспроста. Эти схемы работают в «чистом» классе «А». Двухтактным схемам свойственны «переключательные» искажения, которых здесь нет даже по определению. Данные однотактные схемы очень подходят для работы при небольших выходных напряжениях и мощностях. С увеличением выходной мощности требуются уже «амперные» токи покоя, что типично для мощных однотактных УМЗЧ.

Литература
1.Зызюк А.Г. Изготовление усилителей мощности звуковой частоты//Радиоаматор.  2008.  №5.  С.5.
2.Зызюк А.Г. Изготовление акустических систем и УМЗЧ// Радиоаматор. - 2008. - №6.