УМЗЧ без общей отрицательной обратной связи класса High-End (часть 1)

Рейтинг: 5 / 5

Подробности: Категория: УМЗЧ на транзисторах; Опубликовано: 19.03.2017 17:37; Просмотров: 9342

Понравилась статья - поделись с друзьями

Константин Царев, г. Киев
Решиться на изготовление данного усилителя автора заставил выход из строя «домашнего» УМЗЧ «Одиссей 100 У021» выпуска конца 1980-х годов. Причины поломки банальные - высыхание электролитов. При попытке отремонтировать добавились отслоения дорожек из-за использования некачественного гетинакса для изготовления печатных плат.
Решение не восстанавливать «убитый возрастом» аппарат пришло после двухдневной возни с перепайкой элементов. Оказалось, что почти все электролиты УМЗЧ потеряли более половины своей емкости. В исправном состоянии остались только емкости фильтров питания К50-35 2x15000 мкФ/63 В.

Напрашивался радикальный «апгрейд» усилителя. Поиск вариантов привел на сайт автора схемотехнического решения Игоря Виноградского из Ростова на Дону. Он предлагает очень интересное решение для создания усилителей мощности. Как выяснилось из его публикаций на радиолюбительских форумах, данная схемотехника построения усилителей исследуется им достаточно давно.
Автор выражает благодарность Игорю Виноградскому за помощь в написании этой статьи и настройке усилителя.
Схема электрическая принципиальная усилителя без общей отрицательной обратной связи (ОООС) Noosfera А8, реализованная в корпусе «Одиссея», показана на рис.1.

Основные технические характеристики УМЗЧ Noosfera A8:
Полоса усиливаемых частот...........10.. .200000 Гц
Выходная мощность...................................100 Вт
Номинальное сопротивление нагрузки.........8 Ом
Коэффициент нелинейных искажений,
не более.....................................................0,35%
Усилитель предназначен для работы в составе систем звуковоспроизведения класса Hi-Fi и Hi-End.
Структурно, как и большинство усилителей мощности, данный образец имеет в своем составе три каскада:
• входной каскад;
• каскад усиления напряжения;
• выходной каскад.
Для стабилизации нулевого потенциала на выходе усилителя используется интегратор на ОУ
Входной симметричный дифференциальный каскад построен на транзисторах VT2-VT3, VT7-VT8 с нагрузкой на токовые зеркала Вилсона, выполненные на транзисторах VT5, VT13, VT14 в одном плече и VT6, VT16, VT15 в другом.
Источники тока для дифкаскадов выполнены на транзисторах VT1 и VT4.
Функцию источников опорного напряжения выполняют светодиоды красного цвета свечения, отобранные по падению напряжения.
Выходные транзисторы каскада УН VT14, VT15 нагружены на резисторы R15, R17, напряжение с которых подается на выходной повторитель.
Выходной каскад выполнен на комплиментарных парах латеральных полевых транзисторов 2SK1058, 2SJ162 и работает в классе АВ при токе покоя 250 мА на пару транзисторов.
В усилителе отсутствуют такие общепринятые элементы УМЗЧ, как ОООС и схема термостабилизации работы выходного каскада.
Ток покоя выходного каскада задается резистором RF1, а усиление в некоторых пределах регулируется резистором RF2.
Рассмотрим подробнее схемотехнические решения данного усилителя.
На входе усилителя симметричный (двухтактный) дифференциальный каскад (ДК) преобразует входное напряжение в ток. Крутизна преобразования определяется током источников тока ДК и номиналами резисторов, включенных в эмиттеры дифференциальных пар. Дифференциальный каскад со значительными по величине резисторами в эмиттерах выбран как каскад, дающий заметно меньшие искажения, чем одиночная схема с ОЭ. Далее сигнал в виде тока поступает на токовые зеркала Вилсона.
Выходное сопротивление ДК высокое, а входное сопротивление токовых зеркал низкое. Амплитуда напряжения на коллекторах ДК весьма низкая, что практически устраняет эффект Миллера.
Далее ток поступает на токовые зеркала, имеющие в эмиттерах резисторы R10, R16 и R11, R18. Соотношение номиналов этих резисторов определяет коэффициент передачи тока зеркал.
Выбор токовых зеркал как схемного узла вызван их свойством компенсировать собственные искажения в широком диапазоне токов. Эта компенсация тем лучше, чем лучше совпадают пары токовых зеркал и резисторы в их эмиттерах. В данной схеме компенсация неполная, из-за необходимости усиливать ток (резисторы неодинаковы), а также из-за применения дискретных транзисторов и их разных токовых и тепловых режимов.
Далее сигнал в виде усиленного тока через выходные транзисторы УН поступает на резисторы R15, R17, на которых происходит преобразование ток/напряжение.
Таким образом, в данной схеме входное напряжение преобразуется в ток и усиливается в виде тока.
Коэффициент усиления определяется тремя составляющими:
а) крутизной входного каскада;
б) коэффициентом передачи тока в токовом зеркале;
в) произведением выходного тока УН на сопротивление параллельно включенных резисторов нагрузки R15, R17.
Общая крутизна преобразования и усиления тока выбрана так, чтобы получить нужную чувствительность по входу для полной раскачки выходной амплитуды усилителя.
Выходной каскад
Выходной каскад на комплиментарных парах полевых транзисторов работает в режиме класса АВ. Примененный тип транзисторов имеет невысокую крутизну, если сравнивать с вертикальными полевыми и биполярными транзисторами. Эта особенность, с одной стороны, определяет сравнительно большое выходное сопротивление усилителя (порядка 0,5 Ом при двух парах транзисторов). С другой стороны, невысокая крутизна и отсутствие истоковых резисторов обеспечивают сравнительно плавное закрытие/открытие канала при переходе из малосигнального режима А в режим АВ и обратно, что положительно сказывается на звуке усилителя. Также полевые выходные транзисторы не имеют характерного для биполярных транзисторов эффекта насыщения при максимальных амплитудах.
Данный выходной каскад сравнивался со сходным каскадом на вертикальных полевых транзисторах IRFP240/9240 и с выходным каскадом-тройкой (три ступени повторителя) на биполярных MJL21193/194 и был выбран по субъективному впечатлению лучшего звучания.
Выходной каскад можно питать от напряжения ±25...55 В, усилитель напряжения питается от параметрического стабилизатора на транзисторах VT17, VT18, обеспечивающего напряжение ±45 В.
Усилитель рассчитан на нагрузку 8 Ом, для работы на нагрузку 4 Ом следует уменьшить напряжение питания выходного каскада до ±25...30 В. При этом усилитель напряжения необходимо питать от дополнительного источника ±45...50 В.
Внимание! Разводка печатной платы, приводимая ниже, не предусматривает питание выходного каскада и усилителя напряжения от разных источников.
Общая компоновка элементов УМЗЧ
При повторении данного усилителя все элементы были размещены на печатной плате размерами 190x80 мм, включая дополнительные конденсаторы фильтров. Рисунок печатной платы и расположение элементов со стороны элементов показан на рис.2.

Перемычки (5 шт.) на ней показаны пунктиром.
Размер печатной платы и разводка дорожек выбраны для размещения ее непосредственно на радиаторах выходных транзисторов усилителя «Одиссей 100 УКУ021». Это сделано для максимального уменьшения длины проводников от печатной платы до выходных транзисторов.
Размещение плат в блоке усилителя показано на фото 1.

Применяемые компоненты
УМЗЧ без ОООС предъявляет высокие требования по подбору элементов и качеству самих элементов. Вообще, при повторении данного усилителя мелочей нет, все вносит свой вклад в конечный результат. Поэтому тщательно подбираются в пары такие элементы:
• светодиоды D1 и D2 по прямому падению напряжения при токе 3 мА;
• транзисторы дифкаскада подбираются в пары VT2 и VT7, VT3 и VT8 и совместно в четверки.
• транзисторы VT1 и VT4, VT5 и VT6, VT14 и VT15 - в пары.
Не следует пренебрегать подбором в пары и четверки выходных транзисторов в режиме номинального рабочего тока.
В усилителе напряжения (VT14 и VT15) может быть использована хорошая «Тошибовская» пара 2SA1358 - 2SC3421. При повторении усилителя были использованы более доступные ВС550 производства Philips, BC560 - ONSemiconductor, MJE340, MJE350 - Fairchild, 2SK1058, 2SJ162 -Renesas.
Отдельно хотелось бы поговорить о выходных транзисторах. Изначально они разработаны фирмой Hitachi специально для звуковых приложений. Теперь производятся фирмой Renesas, образованной в результате слияния полупроводниковых производств Hitachi и Mitsubishi.
От полевых транзисторов вертикальной структуры типа IRFxxx они отличаются меньшей крутизной и меньшим напряжением включения. Транзисторы 2SK1058,2SJ162 обладают лучшей комплиментарностью, по сравнению с вертикальными полевыми транзисторами.
Внимание! На корпусе транзисторов - вывод ИСТОКА.
Параметры транзисторов для справки показаны на рис.З-рис.5.

Замены этим элементам порекомендовать не могу, так как не пробовал и не гарантирую конечный результат.
Все резисторы УМЗЧ использованы с допуском ±5% и подобраны в пары. Резистор R27 состоит из двух параллельно включенных резисторов 2 Вт / 0,2 Ом и используется в качестве датчика тока покоя выходного каскада. После регулировки питающий провод +55 В следует отпаять от резистора R27 и перепаять на точку +55 В платы.
Рекомендации Игоря Виноградского по применению конденсаторов в УМЗЧ Noosfera A8 таковы: «емкости питания Samwha НС 10000 мкФ / 50 В, применяются давно и хорошим результатом. Они шунтированы Nichicon KZ 100 мкФ / 50 В и полипропиленовыми пленочными конденсаторами. В питании УН 470 мкФ / 50 В Nichicon KZ, шунтированы 47 мкФ / 50 В Nichicon KZ и WIMA FKP2 0,01 мкФ».
В питании УН применение стабилизатора не обязательно, достаточно после выпрямительных мостов поставить электролитические конденсаторы 4700 мкФ, после них последовательно резисторы 1W 10 Ом и непосредственно на плате вышеупомянутые 470 мкФ Nichicon KZ.
При повторении УМЗЧ в корпусе «Одиссея» были использованы более простые и доступные компоненты. Установленные заводские конденсаторы К50-35 15000 мкФ / 63 В оставлены в источнике питания (ИП) и дополнительно шунтированы полипропиленовыми конденсаторами 1 мкФ/ 160 В. В каждом конкретном случае необходимо измерить их емкость и ток утечки, а затем принимать решение о замене. Лучше всего заменить их новыми по авторским рекомендациям. На плате усилителя установлены добавочные емкости 4700 мкФ / 63 В ELZET CD294, шунтированные Samwha WB 1000 мкФ / 63 В и WIMA 1,0 мкФ. Конденсаторы ELZET оказались на редкость удобными для установки на плату из-за малой высоты - 32 мм. По параметрам они весьма привлекательны из-за низкого значения ESR и больших импульсных токов.
Автор не рекомендует применение в усилителе электролитических конденсаторов с температурным параметром 105°С по «звуковым» соображениям.
Сборка усилителя
Пайка печатной платы проводилась серебросодержащим припоем, все «силовые» дорожки дополнительно пропаяны сверху медной жилой диаметром 1 мм. В точки пайки контактов выходных транзисторов вставлены медные пистоны. После окончания пайки остатки флюса смыты бензином Галоша. Для этой же цели можно использовать изопропиловый спирт (изопропанол).
Сами выходные транзисторы установлены на радиаторы через керамические прокладки из оксида бериллия, предназначенные для транзисторов КТ827(см. фото 2) или КТ805-КТ809.

Не рекомендуется использовать прокладки из силикона, фторопласта и др.
из-за низкой теплопроводности, а слюдяные прокладки дают высокую емкость, выход УМЗЧ - земля, так как истоки выходных транзисторов находятся на подложке и выведены на средний вывод корпуса.
Прокладки из оксида бериллия обладают самой высокой теплопроводностью, примерно такой же, как и алюминий. Керамика на основе окиси алюминия вчетверо хуже по этому параметру, но в данном усилителе вполне применима. Установка через прокладки позволяет снизить емкость «выход-земля» до величины примерно 250...300 пФ и обеспечивает отсутствие самовозбуждения УМЗЧ на больших амплитудах сигнала. Поверх выходных транзисторов на изолирующих стойках монтируется плата самого усилителя, при этом сформованные выводы выходных транзисторов вставляются в отверстия на печатной плате и паяются. Конструкция установки транзисторов показана на фото 2.
PA 5'2011
(Продолжение в УМЗЧ без общей отрицательной обратной связи класса High-End (часть 2) и PA 6'2011)