Виктор Жуковский, г. Красноармейск Донецкой обл.
УМЗЧ ВВ-2010 — новая разработка из широко известной линейки усилителей УМЗЧ BB (высокой верности) [ 1; 2; 5]. На ряд использованных технических решений оказали влияние работы Агеева СИ. .
Усилитель обеспечивает Kr порядка 0,001% на частоте 20 кГц при Рвых = 150 Вт на нагрузке 8 Ом, полоса частот малого сигнала по уровню -3 дБ — 0 Гц … 800 кГц, скорость нарастания выходного напряжения -100 В/мкс, отношение сигнал/шум и сигнал/ фон -120 дБ.
Благодаря применению ОУ, работающего в облегчённом режиме, а также использованию в усилителе напряжения только каскадов с OK и ОБ, охваченных глубокими местными ООС, УМЗЧ BB отличается высокой линейностью ещё до охвата общей ООС. В самом первом усилителе высокой верности ещё в 1985 году были применены решения, до тех пор использовавшиеся только в измерительной технике: режимы по постоянному току поддерживает отдельный сервисный узел, для снижения уровня интерфейсных искажений охвачено общей обратной отрицательной связью переходное сопротивление контактной группы реле коммутации АС, а специальный узел эффективно компенсирует влияние на эти искажения сопротивления кабелей АС. Традиция сохранилась и в УМЗЧ ВВ-2010, вместе с тем общая ООС охватывает и сопротивление выходного ФНЧ.
В абсолютном большинстве конструкций других УМЗЧ, как профессиональных, так и любительских, многие их этих решений отсутствуют до сих пор. Вместе с тем высокие технические характеристики и аудиофильские достоинства УМЗЧ BB достигнуты простыми схемотехническими решениями и минимумом активных элементов. По сути, это сравнительно несложный усилитель: один канал не торопясь можно собрать за пару дней, а настройка заключается лишь в установке необходимого тока покоя выходных транзисторов. Специально для начинающих радиолюбителей разработана методика поузловой, покаскадной проверки работоспособности и наладки, пользуясь которой можно гарантированно локализовать места возможных ошибок и предотвратить их возможные последствия ещё до полной сборки УМЗЧ. На все возможные вопросы по этому или подобным усилителям есть подробные объяснения, как на бумажных носителях, так и в Интернете.
На входе усилителя предусмотрен ФВЧ R1C1 с частотой среза 1,6 Гц, рис.1. Но эффективность работы устройства стабилизации режимов позволяет усилителю работать со входным сигналом, содержащим до 400 мВ напряжения постоянной составляющей. Поэтому С1 исключён, что реализует извечную аудиофильскую мечту о тракте без конденсаторов © и заметно улучшает звучание усилителя.
Ёмкость конденсатора С2 входного ФНЧ R2C2 выбрана так, чтобы частота среза входного ФНЧ с учётом выходного сопротивления предусилителя 500 Ом -1 кОм находилась в пределах от 120 до 200 кГц. На вход ОУ DA1 вынесена цепь частотной коррекции R3R5C3, ограничивающая полосу отрабатываемых гармоник и помех, поступающих по цепи ООС со стороны выхода УМЗЧ, полосой 215 кГц по уровню -3 дБ и повышающая устойчивость усилителя. Эта цепь позволяет уменьшить разностный сигнал выше частоты среза цепи и тем исключить напрасную перегрузку усилителя напряжения сигналами высокочастотных наводок, помех и гармоник, устраняя возможность возникновения динамических интермодуляционных искажений (TIM; DIM).
Далее сигнал поступает на вход малошумящего операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе DA1. Много «претензий» к УМЗЧ BB предъявляются оппонентами по поводу применения на входе ОУ, якобы ухудшающего качество звучания и «крадущего виртуальную глубину» звука. В связи с этим необходимо обратить внимание на некоторые вполне очевидные особенности работы ОУ в УМЗЧ ВВ.
Операционные усилители предварительных усилителей, послеЦАПовые ОУ вынуждены развивать несколько вольт выходного напряжения. Поскольку коэффициент усиления ОУ невелик и составляет от 500 до 2.000 раз на 20 кГц, это указывает на их работу с относительно большим напряжением разностного сигнала — от нескольких сот микровольт на НЧ до нескольких милливольт на 20 кГц и высокую вероятность внесения входным каскадом ОУ интермодуляционных искажений. Выходное напряжение этих ОУ равно выходному напряжению последнего каскада усиления напряжения, выполненного обычно по схеме с ОЭ. Выходное напряжение в несколько вольт говорит о работе этого каскада с довольно большими входными и выходными напряжениями, и как следствие — внесении им искажений в усиливаемый сигнал. ОУ нагружен на сопротивление параллельно включенных цепи ООС и нагрузки, составляющее иногда несколько килоом, что требует от выходного повторителя усилителя выходного тока до нескольких миллиампер. Поэтому изменения тока выходного повторителя ИМС, выходные каскады которой потребляют ток не более 2 мА, довольно значительны, что также указывает на внесение ими искажений в усиливаемый сигнал. Видим, что входной каскад, каскад усиления напряжения и выходной каскад ОУ могут вносить искажения.
А вот схемотехника усилителя высокой верности благодаря высоким усилению и входному сопротивлению транзисторной части усилителя напряжения обеспечивает весьма щадящие условия работы ОУ DA1. Судите сами. Даже в развившем номинальное выходное напряжение 50 В УМЗЧ входной дифференциальный каскад ОУ работает с разностными сигналами напряжением от 12 мкВ на частотах 500 Гц до 500 мкВ на частоте 20 кГц. Соотношение высокой входной перегрузочной способности дифкаскада, выполненного на полевых транзисторах, и мизерного напряжения разностного сигнала обеспечивает высокую линейность усиления сигнала. Выходное напряжение ОУ не превышает 300 мВ. что говорит о малом входном напряжении каскада усиления напряжения с общим эмиттером из состава операционного усилителя — до 60 мкВ — и линейном режиме его работы. Выходной каскад ОУ отдаёт в нагрузку порядка 100 кОм со стороны базы VT2 переменный ток не более 3 мкА. Следовательно, выходной каскад ОУ тоже работает в предельно облегчённом режиме, практически на холостом ходу. На реальном музыкальном сигнале напряжения и токи большую часть времени на порядок меньше приведенных значений.
Из сравнения напряжений разностного и выходного сигналов, а также тока нагрузки видно, что в целом операционный усилитель в УМЗЧ BB работает в сотни раз более лёгком, а, значит, и линейном режиме, чем режим ОУ предусилителей и послеЦАПовых ОУ CD-проигрывателей, служащих источниками сигнала для УМЗЧ с любой глубиной ООС, а также и вовсе без оной. Следовательно, один и тот же ОУ будет вносить в составе УМЗЧ BB гораздо меньшие искажения, чем в одиночном включении.
Изредка встречается мнение, что вносимые каскадом искажения неоднозначно зависят от напряжения входного сигнала. Это ошибка. Зависимость проявления нелинейности каскада от напряжения входного сигнала может подчиняться тому или иному закону, но она всегда однозначна: увеличение этого напряжения никогда не приводит к уменьшению вносимых искажений, а только к увеличению.
Известно, что уровень продуктов искажений, приходящийся на данную частоту, снижается пропорционально глубине отрицательной обратной связи для этой частоты. Коэффициент усиления холостого хода, до охвата усилителя ООС, на низких частотах ввиду малости входного сигнала измерить невозможно. Согласно расчётам, развиваемое до охвата ООС усиление холостого хода позволяет достичь глубины ООС 104 дБ на частотах до 500 Гц. Измерения для частот, начиная с 10 кГц, показывают, что глубина ООС на частоте 10 кГц достигает 80 дБ, на частоте 20 кГц — 72 дБ, на частоте 50 кГц — 62 дБ и 40 дБ — на частоте 200 кГц. На рис.2 показаны амплитудно-частотные характеристики УМЗЧ ВВ-2010 и, для сравнения, сходного по сложности УМЗЧ Леонида Зуева .
Высокое усиление до охвата ООС — основная особенность схемотехники усилителей ВВ. Поскольку целью всех схемотехнических ухищрений является достижение высокой линейности и большого усиления для ведения глубокой ООС в максимально широкой полосе частот, это означает, что подобными структурами исчерпываются схемотехнические методы совершенствования параметров усилителей. Дальнейшее снижение искажений может быть обеспечено только конструктивными мерами, направленными на уменьшение наводок гармоник выходного каскада на входные цепи, особенно — на цепь инвертирующего входа, усиление от которой максимально.
Ещё одна особенность схемотехники УМЗЧ BB заключается в токовом управлении выходным каскадом усилителя напряжения. Входной ОУ управляет каскадом преобразования напряжение-ток, выполненным с OK и ОБ, а полученный ток вычитается из тока покоя каскада, выполненного по схеме с ОБ.
Применение линеаризирующего резистора R17 сопротивлением 1 кОм в дифференциальном каскаде VT1, VT2 на транзисторах разной структуры с последовательным питанием повышает линейность преобразования выходного напряжения ОУ DA1 в ток коллектора VT2 созданием местной ООС глубиной 40 дБ. Это можно видеть из сравнения суммы собственных сопротивлений эмиттеров VT1, VT2 — примерно по 5 Ом — с сопротивлением R17, или суммы тепловых напряжений VT1, VT2 — около 50 мВ — с падением напряжения на сопротивлении R17, составляющем 5,2 — 5,6 В.
У построенных по рассматриваемой схемотехнике усилителей наблюдается резкий, 40 дБ на декаду частоты, спад усиления свыше частоты 13…16 кГц. Сигнал ошибки, представляющий собой продукты искажений, на частотах выше 20 кГц на два-три порядка меньше полезного звукового сигнала. Это даёт возможность конвертировать избыточную на этих частотах линейность дифкаскада VT1, VT2 в повышение коэффициента усиления транзисторной части УН. Ввиду незначительных изменений тока дифкаскада VT1, VT2 при усилении слабых сигналов его линейность с уменьшением глубины местной ООС существенно не ухудшается, а вот работа ОУ DA1, от режима работы которого на этих частотах зависит линейность всего усилителя, запас усиления облегчит, так как все напряжения, определяющие вносимые операционным усилителем искажения, начиная от разностного сигнала до выходного, уменьшаются пропорционально выигрышу в усилении на данной частоте.
Цепи коррекции на опережение по фазе R18C13 и R19C16 оптимизировались в симуляторе с целью уменьшить разностное напряжение ОУ до частот в несколько мегагерц. Удалось повысить усиление УМЗЧ ВВ-2010 по сравнению с УМЗЧ ВВ-2008 на частотах порядка нескольких сот килогерц. Выигрыш в усилении составил 4 дБ на частоте 200 кГц, 6 -на 300 кГц, 8,6 — на 500 кГц, 10,5 дБ — на 800 кГц, 11 дБ — на 1 МГц и от 10 до 12 дБ — на частотах выше 2 МГц. Это видно из результатов симуляции, рис.3, где нижняя кривая относится к АЧХ цепи коррекции на опережения УМЗЧ ВВ-2008, а верхняя -УМЗЧ ВВ-2010.
VD7 защищает эмиттерный переход VT1 от обратного напряжения, возникающего вследствие протекания токов перезарядки С13, С16 в режиме ограничения выходного сигнала УМЗЧ по напряжению и возникающих при этом предельных напряжениях с высокой скоростью изменения на выходе ОУ DA1.
Выходной каскад усилителя напряжения выполнен на транзисторе VT3, включенном по схеме с общей базой, что исключает проникновение сигнала из выходных цепей каскада во входные и повышает его устойчивость. Каскад с ОБ, нагруженный на генератор тока на транзисторе VT5 и входное сопротивление выходного каскада, развивает высокое устойчивое усиление — до 13.000…15.000 раз. Выбор сопротивления резистора R24 вдвое меньшим сопротивления резистора R26 гарантирует равенство токов покоя VT1, VT2 и VT3, VT5. R24, R26 обеспечивают местные ООС, уменьшающие действие эффекта Эрли — изменение п21э в зависимости от коллекторного напряжения и повышают исходную линейность усилителя на 40 дБ и 46 дБ соответственно. Питание УН отдельным напряжением, по модулю на 15 В выше напряжения выходных каскадов, позволяет устранить эффект квазинасыщения транзисторов VT3, VT5, проявляющийся в уменьшении п21э при снижении напряжения коллектор-база ниже 7 В.
Трёхкаскадный выходной повторитель собран на биполярных транзисторах и особых комментариев не требует. Не пытайтесь бороться с энтропией ©, экономя на токе покоя выходных транзисторов. Он не должен быть менее 250 мА; в авторском варианте — 320 мА.
До срабатывания реле включения AC К1 усилитель охвачен ООС1, реализованной включением делителя R6R4. Точность соблюдения сопротивления R6 и согласованность этих сопротивлений в разных каналах не существенна, но для сохранения устойчивости усилителя важно, чтобы сопротивление R6 не было намного ниже суммы сопротивлений R8 и R70. Срабатыванием реле К1 ООС1 отключается и в работу вступает цепь ООС2, образованная R8R70C44 и R4, и охватывающая контактную группу К1.1, где R70C44 исключает выходной ФНЧ R71L1 R72C47 из цепи ОООС на частотах выше 33 кГц. Частотнозависимая ООС R7C10 формирует спад АЧХ УМЗЧ до выходного ФНЧ на частоте 800 кГц по уровню -3 дБ и обеспечивает запас по глубине ООС выше этой частоты. Спад АЧХ на клеммах AC выше частоты 280 кГц по уровню -3 дБ обеспечен совместным действием R7C10 и выходного ФНЧ R71L1 -R72C47.
Резонансные свойства громкоговорителей приводят к излучению диффузором затухающих звуковых колебаний, призвуков после импульсного воздействия и генерации собственного напряжения при пересечении витками катушки громкоговорителя линий магнитного поля в зазоре магнитной системы. Коэффициент демпфирования показывает, как велика амплитуда колебаний диффузора и сколь быстро они затухают при нагрузке AC как генератора на полное сопротивление со стороны УМЗЧ. Этот коэффициент равен отношению сопротивления AC к сумме выходного сопротивления УМЗЧ, переходного сопротивления контактной группы реле коммутации АС, сопротивления намотанной обычно проводом недостаточного диаметра катушки индуктивности выходного ФНЧ, переходного сопротивления зажимов кабелей AC и сопротивления собственно кабелей АС.
Кроме того, полное сопротивление акустических систем нелинейно. Протекание искажённых токов по проводам кабелей AC создаёт падение напряжения с большой долей нелинейных искажений, также вычитающееся из неискажённого выходного напряжения усилителя. Поэтому сигнал на зажимах AC искажён гораздо больше, чем на выходе УМЗЧ. Это так называемые интерфейсные искажения.
Для уменьшения этих искажений применена компенсация всех составляющих полного выходного сопротивления усилителя. Собственное выходное сопротивление УМЗЧ вместе с переходным сопротивлением контактов реле и сопротивлением провода катушки индуктивности выходного ФНЧ уменьшено действием глубокой общей ООС, взятой с правого вывода L1. Кроме того, подключением правого вывода R70 к «горячей» клемме AC можно легко организовать компенсацию переходного сопротивления зажима кабеля AC и сопротивления одного из проводов АС, не опасаясь генерации УМЗЧ из-за фазовых сдвигов в охваченных ООС проводах.
Узел компенсации сопротивления проводов AC выполнен в виде инвертирующего усилителя с Ky = -2 на ОУ DA2, R10, С4, R11 и R9. Входным напряжением для этого усилителя служит падение напряжения на «холодном» («земляном») проводе АС. Поскольку его сопротивление равно сопротивлению «горячего» провода кабеля АС, для компенсации сопротивления обоих проводов достаточно удвоить напряжение на «холодном» проводе, инвертировать его и через резистор R9 с сопротивлением, равным сумме сопротивлений R8 и R70 цепи ООС, подать на инвертирующий вход ОУ DA1. Тогда выходное напряжение УМЗЧ увеличится на сумму падений напряжений на проводах АС, что равносильно устранению влияния их сопротивления на коэффициент демпфирования и уровень интерфейсных искажений на зажимах АС. Компенсация падения на сопротивлении проводов AC нелинейной составляющей противоЭДС громкоговорителей особенно нужна на нижних частотах звукового диапазона. Напряжение сигнала на ВЧ-громкоговорителе ограничивается подключенными последовательно с ним резистором и конденсатором. Их комплексное сопротивление гораздо больше сопротивления проводов кабеля АС, поэтому компенсация этого сопротивления на ВЧ лишена смысла. Исходя из этого интегрирующая цепь R11C4 ограничивает полосу рабочих частот компенсатора значением 22 кГц.
Особо следует заметить: сопротивление «горячего» провода кабеля AC может компенсироваться путём охвата его общей ООС подключением правого вывода R70 специальным проводом к «горячей» клемме АС. В этом случае понадобится компенсация только сопротивления «холодного» провода AC и коэффициент усиления компенсатора сопротивления проводов необходимо уменьшить до значения Ку=-1 выбором сопротивления резистора R10 равным сопротивлению резистора R11.
Узел токовой защиты предотвращает повреждение выходных транзисторов при коротких замыканиях в нагрузке. Датчиком тока служат резисторы R53 — R56 и R57 — R60, чего вполне достаточно. Протекание через эти резисторы выходного тока усилителя создаёт падение напряжения, которое прикладывается к делителю R41R42. Напряжение со значением больше порогового открывает транзистор VT10, а его коллекторный ток открывает VT8 триггерной ячейки VT8VT9. Эта ячейка переходит в устойчивое состояние с открытыми транзисторами и шунтирует цепь HL1VD8, уменьшая ток через стабилитрон до нуля и запирая VT3. Разрядка С21 небольшим током базы VT3 может занять несколько миллисекунд. После срабатывания триггерной ячейки напряжение на нижней обкладке С23, заряженного напряжением на светодиоде HL1 до 1,6 В, повышается с уровня -7,2 В от положительной шины питания УН до уровня -1,2 B 1 напряжение на верхней обкладке этого конденсатора также повышается на 5 В. С21 быстро разряжается через резистор R30 на С23, транзистор VT3 запирается. Тем временем открывается VT6 и через R33, R36 открывает VT7. VT7 шунтирует стабилитрон VD9, разряжает через R31 конденсатор С22 и запирает транзистор VT5. Не получая напряжения смещения, транзисторы выходного каскада также запираются.
Восстановление исходного состояния триггера и включение УМЗЧ производится нажатием на кнопку SA1 «Сброс защиты». С27 заряжается током коллектора VT9 и шунтирует цепь базы VT8, запирая триггерную ячейку. Если к этому моменту аварийная ситуация устранена и VT10 заперт, ячейка переходит в состояние с устойчиво закрытыми транзисторами. Закрываются VT6, VT7, на базы VT3, VT5 подаётся опорное напряжение и усилитель входит в рабочий режим. Если короткое замыкание в нагрузке УМЗЧ продолжается, защита срабатывает вновь, даже если конденсатор С27 подключен SA1. Защита работает настолько эффективно, что во время работ по настройке коррекции усилитель несколько раз обесточивался для мелких перепаек …прикосновением к неинвертиру-ющему входу. Возникающее самовозбуждение приводило к увеличению тока выходных транзисторов, а защита отключала усилитель. Хотя нельзя предлагать этот грубый метод как правило, но благодаря токовой защите он не причинил вреда выходным транзисторам.
Работа компенсатора сопротивления кабелей АС.
Эффективность работы компенсатора УМЗЧ ВВ-2008 проверялась старым аудиофильским методом, на слух, коммутацией входа компенсатора между компенсирующим проводом и общим проводом усилителя. Улучшение звука было явно заметно, да и будущему хозяину не терпелось получить усилитель, поэтому измерений влияния компенсатора не проводилось. Преимущества схемы с «кабелечисткой» были столь очевидны, что конфигурация «компенсатор+интегратор» была принята как стандартный узел для установки во всех разрабатываемых усилителях.
Удивительно, сколь много излишних споров вокруг полезности/ненужности компенсации сопротивления кабелей разгорелось в Интернете. Как водится, особенно настаивали на прослушивании нелинейного сигнала те, кому предельно простая схема кабелечистки казалась сложной и непонятной, затраты на неё — непомерными, а установка — трудоёмкой ©. Высказывались даже предложения, что, раз уж тратится столь много средств на сам усилитель, то грех экономить на святом, а нужно пойти наилучшим, гламурным путём, каким ходит всё цивилизованное человечество и …приобрести нормальные, человеческие © сверхдорогие кабели из драгметаллов. К моему большому удивлению, масла в огонь подлили заявления весьма уважаемых специалистов о ненужности узла компенсации в домашних условиях, в том числе тех специалистов, которые в своих усилителях этот узел с успехом применяют. Весьма прискорбно, что многие коллеги-радиолюбители с недоверием отнеслись к сообщениям о повышении качества звучания на НЧ и СЧ с включением компенсатора, изо всех сил избегали этого простого пути улучшения работы УМЗЧ, чем обокрали сами себя.
Для документализации истины было проведено небольшое исследование. От генератора ГЗ-118 на УМЗЧ ВВ-2010 был подан ряд частот в районе резонансной частоты АС, напряжение контролировалось осциллографом С1-117, а Kr на клеммах AC измерялся ИНИ С6-8, рис.4. Резистор R1 установлен во избежание наводок на вход компенсатора во время переключения его между контрольным и общим проводом. В эксперименте использовались распространённые и общедоступные кабели AC длиной 3 м и сечением жилы 6 кв. мм, а также акустическая система GIGA FS Il с диапазоном частот 25 -22.000 Гц, номинальным сопротивлением 8 Ом и номинальной мощностью 90 Вт фирмы Acoustic Kingdom.
К сожалению, схемотехника усилителей сигнала гармоник из состава С6-8 предусматривает применение оксидных конденсаторов высокой ёмкости в цепях ООС. Это приводит к влиянию низкочастотных шумов этих конденсаторов на разрешение прибора на низких частотах, вследствие чего его разрешение на НЧ ухудшается. При измерении Kr сигнала частотой 25 Гц от ГЗ-118 напрямую С6-8 показания прибора пляшут вокруг значения 0,02%. Обойти это ограничение с помощью режекторного фильтра генератора ГЗ-118 в случае с измерением эффективности компенсатора не представляется возможным, т.к. ряд дискретных значений частот настройки 2Т-филь-тра ограничен на НЧ значениями 20,60, 120, 200 Гц и не позволяет измерять Kr на интересующих нас частотах. Поэтому, скрепя сердце, уровень в 0,02% был принят как нулевой, эталонный.
На частоте 20 Гц при напряжении на клеммах AC 3 В ампл., что соответствует выходной мощности 0,56 Вт на нагрузке 8 Ом, Kr составил 0,02% со включенным компенсатором и 0,06% — после его отключения. При напряжении 10 В ампл, что соответствует выходной мощности 6,25 Вт, значение Kr 0,02% и 0,08% соответственно, при напряжении 20 В ампл и мощности 25 Вт — 0,016% и 0,11%, а при напряжении 30 В ампл и мощности 56 Вт — 0,02% и 0,13%.
Зная облегчённое отношение изготовителей импортной аппаратуры к значениям надписей, касающихся мощности, а также помня чудесное, после принятия западных стандартов, превращение акустической системы 35АС-1 с мощностью низкочастотного громкоговорителя 30 Вт в S-90, долговременная мощность более 56 Вт на AC не подавалась.
На частоте 25 Гц при мощности 25 Вт Kr составил 0,02% и 0,12% с включенным/выключенным узлом компенсации, а при мощности 56 Вт — 0,02% и 0,15%.
Заодно была проверена необходимость и эффективность охвата выходного ФНЧ общей ООС. На частоте 25 Гц при мощности 56 Вт и включенном последовательно в один из проводов кабеля AC выходного RL-RC ФНЧ, подобного установленному в сверхлинейном УМЗЧ , Kr с выключенным компенсатором достигает 0,18%. На частоте 30 Гц при мощности 56 Вт Kr 0,02% и 0,06% с включенным/выключенным узлом компенсации. На частоте 35 Гц при мощности 56 Вт Kr 0,02% и 0,04% с включенным/выключенным узлом компенсации. На частотах 40 и 90 Гц при мощности 56 Вт Kr 0,02% и 0,04% с включенным/выключенным узлом компенсации, а на частоте 60 Гц -0,02% и 0,06%.
Выводы очевидны. Наблюдается наличие нелинейных искажений сигнала на клеммах АС. Отчётливо фиксируется ухудшение линейности сигнала на клеммах AC с включением её через нескомпенсированное, не охваченное ООС сопротивление ФНЧ, содержащего 70 см сравнительно тонкого провода. Зависимость уровня искажений от подводимой к AC мощности позволяет предположить, что он зависит от соотношения мощности сигнала и номинальной мощности НЧ-громкогово-рителей АС. Искажения наиболее ярко выражены на частотах вблизи резонансной. Генерируемая динамиками в ответ на воздействие звукового сигнала противоЭДС шунтируется суммой выходного сопротивления УМЗЧ и сопротивления проводов кабеля АС, поэтому уровень искажений на клеммах AC прямо зависит от сопротивления этих проводов и выходного сопротивления усилителя.
Диффузор плохо демпфированного низкочастотного громкоговорителя сам по себе излучает призвуки, и, кроме того, этот громкоговоритель генерирует широкий хвост продуктов нелинейных и интермодуляционных искажений, которые воспроизводит громкоговоритель среднечастотный. Этим и объясняется ухудшение звучания на средних частотах.
Несмотря на принятое вследствие неидеальности ИНИ допущение нулевого уровня Kr в 0,02%, влияние компенсатора сопротивления кабелей на искажения сигала на клеммах AC отмечается отчётливо и однозначно. Можно констатировать полное соответствие выводов, сделанных после прослушивания работы узла компенсации на музыкальном сигнале, и результатов инструментальных измерений.
Улучшение, явно слышимое при включении кабелечистки, может быть объяснено тем, что с исчезновением искажений на клеммах AC среднечастотный громкоговоритель прекращает воспроизводить всю эту грязь. Видимо, поэтому, за счёт уменьшения или исключения воспроизведения искажений среднечастотным громкоговорителем двухкабельная схема включения АС, т.н. «бивайринг», когда НЧ и СЧ-ВЧ звенья подключаются разными кабелями, имеет преимущество в звуке по сравнению с однокабельной схемой. Впрочем, поскольку в двухкабельной схеме искажённый сигнал на клеммах НЧ-сек-ции AC никуда не исчезает, эта схема проигрывает варианту с компесатором по коэффициенту демпирования свободных колебаний диффузора низкочастотного громкоговорителя.
Физику не обманешь, и для приличного звучания недостаточно получить блестящие показатели на выходе усилителя при активной нагрузке, но необходимо также не потерять линейность после доставки сигнала на клеммы АС. В составе хорошего усилителя совершенно необходим компенсатор, выполненный по той или иной схеме.
Интегратор.
Также была проверена эффективность и возможности уменьшения погрешности интегратора на DA3. В УМЗЧ BB с ОУ TL071 выходное постоянное напряжение находится в пределах 6…9 мВ и уменьшить это напряжение включением дополнительного резистора в цепь неинвертирующего входа не удалось.
Действие низкочастотных шумов, характерных для ОУ с ПТ-входом, вследствие охвата глубокой ООС через частотноза-висимую цепь R16R13C5C6 проявляется в виде нестабильности выходного напряжения величиной в несколько милливольт, или -60 дБ относительно выходного напряжения при номинальной выходной мощности, на частотах ниже 1 Гц, не воспроизводимых АС.
В интернете упоминалось о низком сопротивлении защитных диодов VD1…VD4, что, якобы, вносит погрешность в работу интегратора из-за образования делителя (R16+R13)/R VD2|VD4. . Дляпроверки обратного сопротивления защитных диодов была собрана схема рис. 6. Здесь ОУ DA1, включенный по схеме инвертирующего усилителя, охвачен ООС через R2, его выходное напряжение пропорционально току в цепи проверяемого диода VD2 и защитного резистора R2 с коэффициентом 1 мВ/нА, а сопротивлению цепи R2VD2 — с коэффициентом 1 мВ/15 ГОм. Чтобы исключить влияние аддитивных погрешностей ОУ — напряжения смещения и входного тока на результаты измерения тока утечки диода, необходимо вычислить только разность между собственным напряжением на выходе ОУ, измеренным без проверяемого диода, и напряжением на выходе ОУ после его установки. Практически разница выходных напряжений ОУ в несколько милливольт даёт значение обратного сопротивления диода порядка десяти — пятнадцати гигаом при обратном напряжении 15 В. Очевидно, что ток утечки не станет больше с уменьшением напряжения на диоде до уровня нескольких милливольт, характерного для разностного напряжения ОУ интегратора и компенсатора.
А вот фотоэффект, свойственный диодам, помещённым в стекляный корпус, действительно приводит к значительному изменению выходного напряжения УМЗЧ. При освещении их лампой накаливания в 60 Вт с расстояния 20 см постоянное напряжение на выходе УМЗЧ возрастало до 20…3O мВ. Хотя вряд ли внутри корпуса усилителя может наблюдаться сходный уровень освещённости, капля краски, нанесённая на эти диоды, устранила зависимость режимов УМЗЧ от освещенности. Согласно результатам симуляции, спад АЧХ УМЗЧ не наблюдается даже на частоте 1 миллигерц. Но уменьшать постоянную времени R16R13C5C6 не следует. Фазы переменных напряжений на выходах интегратора и компенсатора противоположны, и с уменьшением ёмкости конденсаторов или сопротивления резисторов интегратора увеличение его выходного напряжения может ухудшить компенсацию сопротивления кабелей АС.
Сравнение звучания усилителей. Звучание собранного усилителя сравнивалось со звучанием нескольких зарубежных усилителей промышленного производства. Источником служил CD-проигрыватель фирмы «Кембридж Аудио», для раскачки и регулировки уровня звука оконечных УМЗЧ применялся предварительный усилитель «Радиотехника УП-001», у «Sugden А21а» и NAD С352 использовались штатные органы регулировки.
Первым проверили легендарный, эпатажный и чертовски дорогой английский УМЗЧ «Sugden А21а», работающий в классе А с выходной мощностью 25 Вт. Что примечательно, в сопроводительной документации на усь англичане сочли за благо уровень нелинейных искажений не указывать. Дескать, не в искажениях дело, а в духовности. «Sugden А21а>» проиграл УМЗЧ ВВ-2010 при сопоставимой мощности как по уровню, так и по чёткости, уверенности, благородству звучания на низких частотах. Это и не удивительно, учитывая особенности его схемотехники: всего лишь двухкаскадный квазисимметричный выходной повторитель на транзисторах одной структуры, собранный по схемотехнике 70-х годов прошлого столетия с относительно высоким выходным сопротивлением и включенным на выходе ещё более увеличивающим полное выходное сопротивление электролитическим конденсатором — это последнее решение само по себе ухудшает звучание любых усилителей на низких и средних частотах. На средних и высоких частотах УМЗЧ BB показал более высокую детализацию, прозрачность и отличную проработку сцены, когда певцы, инструменты могли быть чётко локализованы по звуку. Кстати, к слову о корреляции объективных данных измерений и субъективных впечатлений от звучания: в одной из журнальных статей конкурентов Sugden-a его Kr определялся на уровне 0,03% на частоте 10 кГц.
Следующим был тоже английский усилитель NAD С352. Общее впечатление было тем же: ярко выраженный «ведёрный» звук англичанина на НЧ не оставил ему никаких шансов, тогда как работа УМЗЧ BB была признана безукоризненной. В отличие от NADa, звучание которого ассоциировалось с густым кустарником, шерстью, ватой, звучание ВВ-2010 на средних и высоких частотах позволяло отчётливо различать голоса исполнителей в общем хоре и инструментов в оркестре. В работе NAD С352 явно выражался эффект лучшей слышимости более голосистого исполнителя, более громкого инструмента. Как выразился сам хозяин усилителя, в звуке УМЗЧ BB вокалисты не «закри-кивали» друг друга, а скрипка не сражалась в силе звука с гитарой или трубой, но все инструменты мирно и гармонично «дружили» в общем звуковом образе мелодии. На высоких частотах УМЗЧ ВВ-2010, по словам образно мыслящих аудиофилов, звучит так, «как будто рисует звук тонкой-тонкой кисточкой». Эти эффекты можно отнести к разнице в интермодуляционных искажениях усилителей.
Звучание УМЗЧ Rotel RB 981 было сходно со звучанием NAD С352, за исключением лучшей работы на низких частотах, всё же УМЗЧ ВВ-2010 в чёткости управления AC на низких частотах, а также прозрачности, деликатности звучания на средних и высоких частотах оставался вне конкуренции.
Самым интересным в плане понимания образа мышления аудиофилов было общее мнение, что, несмотря на превосходство над этими тремя УМЗЧ, они привносят в звук «теплоту», чем делают его приятнее, а УМЗЧ BB работает ровно, «к звуку относится нейтрально».
Японский Dual CV1460 проиграл в звуке сразу после включения самым очевидным для всех образом, и тратить времени на его подробное прослушивание не стали. Его Kr находился в пределах 0,04…0,07% на малой мощности.
Основные впечатления от сравнения усилителей в основных чертах были полностью идентичными: УМЗЧ BB опережал их в звуке безоговорочно и однозначно. Поэтому дальнейшие испытания были признаны излишними. В итоге победила дружба, каждый получил желаемое: для тёплого, задушевного звучания — Sugden, NAD и Rotel, а чтобы услышать записанное на диск режиссёром — УМЗЧ ВВ-2010.
Лично мне УМЗЧ высокой верности нравится лёгким, чистым, безукоризненным, благородным звучанием, он играючи воспроизводят пассажи любой сложности. Как выразился мой знакомый, аудиофил с большим стажем, звуки ударных установок на низких частотах он отрабатывает без вариантов, как пресс, на средних он звучит так, как будто его нет, а на высоких он как будто рисует звук тоненькой кисточкой. Для меня ненапрягающий звук УМЗЧ BB ассоциируется с лёгкостью работы каскадов.
Литература
1. Сухов И. УМЗЧ высокой верности. «Радио», 1989, № 6, стр. 55-57; №7, стр. 57-61.
2. Ридико Л. УМЗЧ BB на современной элементной базе с микроконтроллерной системой управления. «Радиохобби», 2001, №5, стр. 52-57; №6, стр. 50-54; 2002, №2, стр. 53-56.
3. Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС «Радио», 1999, №№ 10… 12; «Радио», 2000, №№ 1; 2; 4…6; 9… 11.
4. Зуев. Л. УМЗЧ с параллельной ООС. «Радио», 2005, №2 , стр. 14.
5. Жуковский В. Зачем нужно быстродействие УМЗЧ (или «УМЗЧ ВВ-2008»). «Радиохобби», 2008, №1, стр. 55-59; №2, стр. 49-55.
Что у меня имеется на данный момент:
1. Сам усилитель:
2. Естественно, блок питания оконечного усилителя:
При настройке УМ я использую устройство, которое обеспечивает безопасное подключение трансформатора УМ к сети (через лампу). Оно выполнено в отдельной коробочке со своим шнуром и розеткой и при необходимости подключается к любому устройству. Схема приведена ниже на рисунке. Для этого устройства требуется реле с обмоткой на 220 АС и с двумя группами контактами на замыкание, одна кнопка без фиксации (S2), одна кнопка с фиксацией или включатель(S1) . При замыкании S1 трансформатор подключается к сети через лампу, если все режимы УМ в норме, при нажатии на кнопку S2 реле через одну группу контактов замыкает лампу и подключает трансформатор напрямую к сети, а вторая группа контактов, дублируя кнопку S2 постоянно подключает реле к сети. В таком состоянии устройство находится до момента размыкания S1, или уменьшения напряжения меньше напряжения удержания контактов реле (в том числе и КЗ). При следующем включении S1 трансформатор опять подключается к сети через лампу, и так далее…
Помехозащищённость различных способов экранировки сигнальных проводов
3. Еще имеем собранную защиту АС от постоянного напряжения:
В защите реализованы:
задержка подключения АС
защита от постоянки на выходе, от КЗ
управление обдувом и отключение АС при перегреве радиаторов
Налаживание:
Предположим, всё собрано из исправных и проверенных тестером транзисторов и диодов. Изначально поставьте движки подстроечников в следующие положения: R6 — посередине, R12, R13 — в верхнее по схеме.
Стабилитрон VD7 поначалу не запаивайте. На ПП защиты разведены цепи Цобеля, необходимые для устойчивости усилителя, если они уже имеются на платах УМЗЧ, то их паять не нужно, а катушки можно заменить перемычками. В противном же случае катушки мотаются на оправке диаметром в 10 мм, например, хвосте сверла — проводом диаметром 1 мм. Длина получившейся намотки должна быть такой, чтобы катушка вставала в отведённые для неё на плате отверстия. После намотки рекомендую пропитать проволоку лаком или клеем, например, эпоксидкой или БФом — для жёсткости.
Провода, идущие от защиты к выходам усилителя, пока соедините с общим проводом, отключив от его выходов, разумеется. Необходимо соединить с «Меккой» УМЗЧ земляной полигон защиты, обозначенный на ПП пометкой «Main GND», иначе защита не будет правильно работать. Ну и, разумеется, площадки GND рядом с катушками.
Включив защиту с подключенными АС, начинаем уменьшать сопротивление R6 до щелчка реле. Открутив ещё один-два оборота подстроечника, отключаем защиту от сети, включаем две АС в параллель на любой из каналов и проверяем — сработают ли реле. Если не сработают — то всё работает как задумано, при нагрузке 2 Ома усилители к ней не подключатся, во избежание повреждения.
Далее отключаем провода «От УМЗЧ ЛК» и «От УМЗЧ ПК» от земли, включаем всё снова и проверяем, сработает ли защита, если на эти провода подавать постоянное напряжение около двух-трёх вольт. Реле должны отключать колонки — будет щелчок.
Можно ввести индикацию » Защита», если подсоединить цепочку из светодиода красного цвета свечения и резистора в 10 кОм между землёй и коллектором VT6. Этот светодиод будет показывать неисправность.
Далее настраиваем термоконтроль. Терморезисторы одеваем в водонепроницаемую трубку (внимание! они не должны намокнуть в ходе теста!).
Часто бывает так, что у радиолюбителя нет терморезисторов, указанных на схеме. Подойдут два одинаковых из имеющихся, сопротивлением от 4,7 кОм, но в этом случае сопротивление R15 должно равняться удвоенному сопротивлению последовательно включенных терморезисторов. Терморезисторы должны иметь отрицательный коэффициент сопротивления (уменьшать его с нагревом), позисторы работают наоборот и тут им не место.Кипятим стакан воды. Даём ему минут 10-15 подостыть в спокойном воздухе и опускаем в него терморезисторы. Крутим R13 до погасания светодиода «Перегрев» — Overheat , который должен был гореть изначально.
Когда вода остынет градусов до 50 (это можно ускорить, как именно — большой секрет) — крутим R12, чтобы погас светодиод «Обдув» или же FAN On.
Запаиваем стабилитрон VD7 на место.
Если глюков от запайки этого стабилитрона не обнаруживается, то всё нормально, но было такое, что без него транзисторная часть работает безупречно, с ним же — не хочет подключать реле ни в какую. В таком случае меняем его на любой с напряжением стабилизации от 3,3 В до 10В. Причина — утечка стабилитрона.
При нагревании терморезисторов до 90*С должен загораться светодиод «Overheat» — Перегрев и реле отключат АС от усилителя. При некотором остывании радиаторов всё подключится обратно, но такой режим работы аппарата должен как минимум насторожить владельца. При исправном вентиляторе и не забитом пылью туннеле срабатывания термала наблюдаться не должно вообще.
Если всё нормально, паяем провода на выхода усилителя и наслаждаемся.
Обдув (его интенсивность) настраивается подбором резисторов R24 и R25. Первый определяет производительность кулера при включенном обдуве (максимум), второй — когда радиаторы лишь чуть тёплые. R25 можно исключить вообще, но тогда вентилятор будет работать в режиме ВКЛ-ВЫКЛ.
Если реле имеют обмотки на 24В, то их надо соединить параллельно, если же на 12 — то последовательно.
Замена деталей. В качестве ОУ можно применить почти любой сдвоенный дешёвый ОУ в СОИК8 (от 4558 до ОРА2132, хотя, надеюсь, до последнего не дойдёт), например, TL072, NE5532, NJM4580 и т.п.
Транзисторы — 2n5551 меняются на ВС546-ВС548, либо на наши КТ3102. BD139 заменим на 2SC4793, 2SC2383, либо на подобный по току и напряжению, возможно поставить хоть КТ815.
Полевик меняется на подобный применённому, выбор огромен. Радиатор для полевика не требуется.
Диоды 1N4148 меняются на 1N4004 — 1N4007 или же на КД522. В выпрямителе же можно поставить 1N4004 — 1N4007 или использовать диодный мостик с током 1 А.
Если управление обдувом и защита от перегрева УМЗЧ не нужны, то не запаивается правая часть схемы — ОУ, терморезисторы, полевик и т.д, кроме диодного мостика и фильтрующего конденсатора. Если у вас уже есть источник питания 22..25В в усилителе, то можно использовать и его, не забывая о токе потребления защиты около 0,35А при включении обдува.
Рекомендации по сборке и настройке УМЗЧ:
Перед началом сборки печатной платы следует выполнить относительно несложные операции с платой, а именно – просмотреть на просвет, нет ли малозаметных при обычном освещении замыканий между дорожками. Заводское производство не исключает производственных дефектов, к сожалению. Пайку рекомендуется осуществлять припоем ПОС-61 или подобным с температурой плавления не выше 200* С.
Вначале следует определиться с применяемым ОУ. Крайне не рекомендуется применение ОУ от Analog Devices – в данном УМЗЧ их характер звучания несколько отличается от задуманного автором, а излишне высокая скорость может привести к неустранимому самовозбуждению усилителя. Приветствуется замена ОРА134 на ОРА132, ОРА627, т.к. они обладают меньшими искажениями на ВЧ. То же самое относится к ОУ DA1 – рекомендуется использовать ОРА2132, ОРА2134 (в порядке предпочтения). Допустимо использование ОРА604, ОРА2604, но при этом искажений будет несколько больше. Конечно, можно поэкспериментировать с типом ОУ, но на свой страх и риск. УМЗЧ будет работать и с КР544УД1, КР574УД1, но уровень смещения нуля на выходе увеличится и вырастут гармоники. Звук же…думаю, комментарии не нужны.
С самого начала монтажа рекомендуется попарно отобрать транзисторы. Это не необходимая мера, т.к. усилитель будет работать и при разбросе 20-30%, но если вы ставите цель получить максимальное качество, то уделите этому внимание. Особо следует выделить подбор Т5, Т6 – их лучше всего использовать с максимальным Н21э – это снизит нагрузку на ОУ и улучшит его выходной спектр. Т9, Т10 также должны иметь как можно более близкое усиление. Для транзисторов защёлки подбор необязателен. Выходные транзисторы – если они из одной партии, можно не подбирать, т.к. культура производства на Западе несколько выше привычной нам и разброс укладывается в 5-10%.
Далее, вместо выводов резисторов R30, R31 рекомендуется впаять отрезки провода длиной пару сантиметров, поскольку потребуется подбор их сопротивлений. Начальное значение в 82 Ом даст ток покоя УН примерно 20..25 мА, статистически же получалось от 75 до 100 Ом, это сильно зависит от конкретных транзисторов.
Как уже отмечалось в теме по усилителю, использовать транзисторные оптроны не стоит. Поэтому ориентироваться стоит на АОД101А-Г. Импортные диодные оптопары не опробовались из-за недоступности, это временно. Наилучшие результаты получаются на АОД101А одной партии для обеих каналов.
Помимо транзисторов, попарно стоит подобрать комплементарные резисторы УНа. Разброс не должен превышать 1%. Особо тщательно нужно подобрать R36=R39, R34=R35, R40=R41. Для ориентира отмечу, что с разбросом более 0,5 % на вариант без ООС лучше не переходить, т.к. будет рост чётных гармоник. Именно невозможность достать точные детали в своё время остановила эксперименты автора по безООСному направлению. Введение же балансировки в цепь токовой ОС решает проблему не полностью.
Резисторы R46, R47 можно запаять по 1 кОм, но если есть желание более точно настроить токовый шунт, то лучше поступить так же, как и с R30, R31 – впаять проводки для подпайки.
Как выяснилось по ходу повторения схемы, при некотором стечении обстоятельств возможно возбуждение в цепи слежения ЭА. Это проявлялось в виде неконтролируемого дрейфа тока покоя, а особенно – в виде колебаний частотой около 500 кГц на коллекторах Т15, Т18.
Необходимые коррективы изначально заложены в эту версию, но проверить осциллографом всё же стоит.
Диоды VD14, VD15 вынесены на радиатор для температурной компенсации тока покоя. Это можно сделать, подпаяв провода к выводам диодов и приклеив их к радиатору клеем типа «Момент» или подобным.
Перед первым включением необходимо тщательно отмыть плату от следов флюса, просмотреть на отсутствие замыканий дорожек припоем, убедиться, что общие провода подсоединены к средней точке конденсаторов блока питания. Также настоятельно рекомендуется использовать цепь Цобеля и катушку на выходе УМЗЧ, на схеме они не показаны, т.к. автор считает их применение за правило хорошего тона. Номиналы этой цепи обычны – это последовательно включённые резистор 10 Ом 2 Вт и конденсатор К73-17 или подобный ёмкостью 0,1 мкФ. Катушка же наматывается лакированным проводом диаметром 1 мм на резисторе МЛТ-2, число витков – 12…15 (до заполнения). На ПП защиты эта цепь разведена полностью.
Все транзисторы ВК и Т9, Т10 в УН – крепятся на радиаторе. Мощные транзисторы ВК устанавливаются через слюдяные прокладки и для улучшения теплового контакта используется паста типа КПТ-8. Околокомпьютерные же пасты применять не рекомендуется – высока вероятность подделки, да и тесты подтверждают, что зачастую КПТ-8 – это лучший выбор, к тому же очень недорогой. Чтобы не влететь на подделку – используйте КПТ-8 в металлических тюбиках, наподобие зубной пасты. До этого пока ещё не добрались, к счастью.
Для транзисторов в изолированном корпусе использование слюдяной прокладки необязательно и даже нежелательно, т.к. ухудшает условия теплового контакта.
Последовательно с первичной обмоткой сетевого трансформатора обязательно включите лампочку на 100-150Вт – это спасёт от многих неприятностей.
Закоротите выводы светодиода оптрона D2 (1 и 2) и включите. Если всё собрано правильно, то потребляемый усилителем ток не должен превышать 40 мА (выходной каскад будет работать в режиме В). Постоянное напряжение смещения на выходе УМЗЧ не должно превышать 10 мВ. Размокните светодиод. Ток, потребляемый усилителем, должен возрасти до 140…180 мА. Если он возрастает больше, то проверьте (рекомендуется делать это стрелочным вольтметром) коллекторы Т15, Т18. Если всё работает верно, там должны быть напряжения, отличающиеся от питающих примерно на 10-20 В. В случае, когда это отклонение меньше 5 В, а ток покоя слишком большой – попробуйте поменять диоды VD14, VD15 на другие, очень желательно, чтобы они были из одной партии. Ток покоя УМЗЧ, если он не укладывается в диапазон от 70 до 150 мА, можно установить также подбором резисторов R57, R58. Возможная замена для диодов VD14, VD15: 1N4148, 1N4001-1N4007, КД522. Либо же снизьте протекающий через них ток одновременным увеличением R57, R58. В мыслях была возможность реализации смещения такого плана: вместо VD14, VD15 использовать переходы БЭ транзисторов из тех же партий, что и Т15, Т18, но тогда придётся существенно увеличивать R57, R58 – до полной настройки получившихся токовых зеркал. При этом вновь вводимые транзисторы должны быть в тепловом контакте с радиатором, как и диоды, вместо которых они ставятся.
Далее нужно установить ток покоя УНа. Оставьте усилитель включенным и через 20-30 минут проверьте падение напряжения на резисторах R42, R43. там должно падать 200…250 мВ, что означает ток покоя 20-25 мА. Если он больше, то необходимо снизить сопротивления R30, R31, если меньше-то, соответственно, увеличить. Может случиться такое, что ток покоя УНа будет несимметричным – в одном плече 5-6мА, в другом 50мА. В этом случае выпаяйте транзисторы из защёлки и продолжайте пока без них. Эффект не нашёл логического обьяснения, но исчезал при замене транзисторов. Вообще – в защёлке нет смысла использовать транзисторы с большим Н21э. Достаточно усиления от 50.
После настройки УНа снова проверяем ток покоя ВК. Его следует мерить по падению напряжения на резисторах R79, R82. Току 100 мА соответствует падение напряжения 33 мВ. Из этих 100 мА около 20 мА потребляет предконечный каскад и до 10 мА может уходить на управление оптроном, поэтому в случае, когда на этих резисторах падает, например, 33 мВ – ток покоя составит 70…75мА. Уточнить его можно по замерам падения напряжения на резисторах в эмиттерах выходных транзисторов и последующего суммирования. Ток покоя выходных транзисторов от 80 до 130 мА можно считать нормальным, при этом заявленные параметры полностью сохраняются.
По результатам замеров напряжений на коллекторах Т15, Т18 можно сделать вывод о достаточности управляющего тока через оптрон. Если Т15, Т18 почти в насыщении (напряжения на их коллекторах отличаются от питающих менее чем на 10 В) – то нужно уменьшить номиналы R51, R56 примерно в полтора раза и провести повторный замер. Ситуация с напряжениями должна измениться, а ток покоя – остаться преждним. Оптимальным считается случай, когда напряжения на коллекторах Т15, Т18 равны примерно половине питающих напряжений, но вполне достаточно отклонения от питания на 10-15В, это резерв, который нужен для управления оптроном на музыкальном сигнале и реальной нагрузке. Резисторы R51, R56 могут нагреваться до 40-50*С, это нормально.
Мгновенная мощность в самом тяжёлом случае – при выходном напряжении близком к нулю – не превышает 125-130 Вт на транзистор (по техусловиям допускается до 150Вт) и действует она практически моментально, что не должно повести за собой каких-либо последствий.
Срабатывание защёлки можно определить субьективно-по резкому снижению выходной мощности и характерному «грязному» звучанию, проще говоря – в АС будет сильно искажённый звук.
4. Предварительный усилитель и его БП
Материал по Высококачественному ПУ:
Служит для тембровой коррекции и тонкомпенсации при регулировании громкости. Возможно использование для подключения наушников.
В качестве темброблока использован хорошо себя зарекомендовавший ТБ Матюшкина. Он имеет 4хступенчатую регулировку НЧ и плавную регулировку ВЧ, а его АЧХ хорошо соответствует слуховому восприятию, во всяком случае, классический мостовой ТБ, (который тоже может быть применён), слушателями оценивается ниже. Реле позволяет при необходимости отключить всякую частотную коррекцию в тракте, уровень выходного сигнала настраивается подстроечным резистором по равенству усиления на частоте 1000 Гц в режиме с ТБ и при обходе.
Расчётные характеристики:
Кг в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц — менее 0,001% (типовое значение порядка 0,0005%)
Номинальное входное напряжение, В 0,775
Перегрузочная способность в режиме обхода ТБ — не менее 20 дБ.
Минимальное сопротивление нагрузки, при котором гарантируется работа выходного каскада в режиме А — при максимальном размахе выходного напряжения «от пика до пика» 58В 1,5 кОм.
При использовании ПУ только с проигрывателями СД допустимо снижение напряжения питания буфера до +\-15В потому как диапазон выходного напряжения таких источников сигнала заведомо ограничен сверху, на параметрах это не отразится.
Полный комплект плат состоит из двух каналов ПУ, РТ Матюшкина (одна плата на оба канала) и блока питания. Печатные платы разработаны Владимиром Лепёхиным.
Результаты измерений:
Анализ писем радиолюбителей, откликнувшихся на
статью , позволил придти к следующим выводам. Во
первых (и это естественно), все высказываются за
создание простых в схемотехническом отношении
усилителей мощности 3Ч (УМЗЧ); во-вторых, чем проще
схема усилителя, тем менее подготовленные
радиолюбители берутся за его сборку; в-третьих,
даже опытные конструкторы нередко игнорируют
известные правила монтажа, что приводит к
неудачам при повторении УМЗЧ на современной
элементной базе.
Исходя из сказанного, был разработан УМЗЧ (см. рис. 1) на базе усилителей, описанных в .
Его основные особенности - использование ОУ в малосигнальном режиме (как и в усилителе, описанном в ), что расширяет полосу частот сигналов, воспроизводимых без превышения скорости нарастания выходного напряжения ОУ ; транзисторов выходного каскада - в схеме ОЭ, а предоконечного - с разделенной нагрузкой в цепях эмиттеров и коллекторов. Последнее, кроме очевидного конструктивного преимущества - возможности размещения всех четырех транзисторов на общем теплоотводе, дает определенные преимущества по сравнению с выходным каскадом, в котором транзисторы включены по схеме OK .
Основные технические характеристики УМЗЧ
:
Номинальный диапазон частот при неравномерности АЧХ 2 дБ, Гц... 20...20 000
Номинальная (максимальная) выходная мощность, Вт, на нагрузке сопротивлением, Ом:
4 ... 30(42)
8 ... 15(21)
Коэффициент гармоник при номинальной мощности, %, не более, в номинальном диапазоне частот... 0,01
Номинальное (максимальное) входное напряжение, В... 0,8(1)
Входное сопротивление, кОм... 47
Выходное сопротивление, Ом, не более... 0,03
Относительный уровень шума и фона, дБ, не более... -86
Амплитуда всплесков выходного напряжения при включении и выключении УМЗЧ, В, не более... 0,1
ОУ DA1 питается через тран-зисторы VT1 и VT2, которые
снижают напряжения питания до требуемых
значений. Токи покоя транзисторов создают
падения напряжения на резисторах R8 и R9,
достаточные для обеспечения необходимого
напряжения смещения на базах транзисторов VT3, VT4 и
VT5, VT6. При этом напряжения смещения для
транзисторов оконечного каскада выбраны такими (0,35...0,4 В), чтобы они
оставались надежно закрытыми при повышении
напряжения питания на 10...15 % и перегреве на 60...80
°С. Снимаются они с резисторов R12, R13, которые
одновременно стабилизируют режим работы
транзисторов предоконечного каскада и
создают местные ООС по току.
Соотношение между сопротивлениями резисторов R11
и R4 цепи ООС выбрано из условия получения
номинального входного напряжения, равного 0,8 В.
Включение цепей внешней коррекции и
балансировки ОУ для простоты на схеме не
показано (об этом будет сказано в разделе,
посвященном налаживанию усилителя).
ФНЧ R3C2 и ФВЧ C3R10 с частотами среза в области 60 кГц
предотвращают работу сравнительно
низкочастотных транзисторов VT3-VT6 на более
высоких частотах во избежание их пробоя.
Конденсаторы С4, С5 корректируют ФЧХ
предоконечного и оконечного каскадов,
предотвращая их самовозбуждение при неудачном
монтаже.
Катушка L1 повышает стабильность работы УМЗЧ при
значительной емкостной нагрузке.
УМЗЧ питается от нестабилизированного
выпрямителя. Он может быть общим для обоих
каналов стереоусилителя, однако в этом случае
емкость конденсаторов фильтра С8 и С9 необходимо
увеличить вдвое, а диаметр провода вторичной
обмотки трансформатора Т1 -в 1,5 раза.
Предохранители включают в цепи питания каждого
из усилителей.
Конструкция УМЗЧ может быть различной, однако
некоторые конструктивные особенности, от
которых зависит успех его повторения, должны
быть обязательно учтены.
Чертеж печатной платы и размещение деталей одного канала УМЗЧ приведены на рис. 2
Длина выводов деталей должна быть не более 7... 10 мм (для удобства монтажа выводы ОУ DA1 укорачивают примерно до 15 мм). В УМЗЧ необходимо использовать керамические конденсаторы с номинальным напряжением не менее 50 В. Плату можно закрепить на теплоотводе транзисторов оконечного каскада с помощью стоек высотой 15...20 мм или в непосредственной близости от него, применив для соединения оконечного каскада с предоконечным какой-либо разъемный соединитель, например МРН-22 (гнезда и штыри соединителя включают в точках 1-5). В последнем случае сопротивление резисторов R12 и R13 следует выбрать равным 43... 47 Ом, а на розетке соединителя с подключенными к ней транзисторами VT5, VT6 установить резисторы такого же сопротивления R12" и R13" (это предотвратит выход из строя транзисторов при потере контакта в соединителе). Длина проводников между платой и транзисторами оконечного каскада должна быть не более 100 мм.
Кроме указанного на схеме, в УМЗЧ можно применить ОУ К140УД6Б, К140УД7А, К544УД1А, однако коэффициент гармоник на частотах выше 5 кГц возрастет в этом случае примерно до 0,3 %.
Транзисторы предоконечного каскада располагают на теплоотводе, согнутом из пластины размерами 70Х35ХЗ мм (без учета лапки с отверстием диаметром 2,2 мм) из алюминиевого сплава, которую одним винтом М2Х8 с гайкой крепят к плате для предотвращения обрыва выводов транзисторов при случайных механических воздействиях.
Транзисторы оконечного каскада можно расположить как на общем для каждого канала УМЗЧ теплоотводе, так и на теплоотводе, общем для обоих каналов. В первом случае их закрепляют на теплоотводе и изолируют последний от корпуса УМЗЧ, во втором - изолируют транзисторы, а теплоотвод может представлять собой конструктивный элемент корпуса усилителя. Для уменьшения теплового сопротивления корпус транзистора - теплоотвод необходимо использовать теплопроводную пасту. При использовании отдельных (для каждого канала) теплоотводов можно применять транзисторы в пластмассовом корпусе, которые из-за малой площади металлических оснований могут перегреваться при плохом выполнении прокладок или неплотном тепловом контакте с теплоотводом и чрезмерном количестве пасты в зазоре. На общем для обоих каналов теплоотводе целесообразно устанавливать транзисторы в металлическом корпусе. Площадь теплоотвода в расчете на один транзистор должна быть не менее 500 см2.
Большое значение имеет монтаж УМЗЧ, соединение его каналов с источником питания. Провода питания (+22 В, -22 В и общий) должны быть возможно более короткими (к каждому каналу они должны быть проложены отдельно) и достаточно большого сечения (при максимальной мощности 42 Вт-не менее 1,5 мм2). Проводами такого же сечения должны быть подключены акустические системы, а также цепи эмиттеров и коллекторов транзисторов оконечного каскада к плате УМЗЧ.
Налаживают УМЗЧ при отключенном оконечном каскаде. Если для соединения частей УМЗЧ применен разъемный соединитель, удобно воспользоваться технологической розеткой, к которой подсоединены только провода питания и выход генератора сигналов 3Ч. При, непосредственном соединении оконечных транзисторов с платой УМЗЧ достаточно удалить перемычки из припоя с печатных проводников цепей их баз и временно припаять последние к выводам эмиттеров.
Для балансировки ОУ DA1 (если в этом возникнет
необходимость) на плате предусмотрены отверстия
под подстроенный и постоянные резисторы или
проволочные перемычки для соединения выводов
микросхемы в соответствии со схемой
балансировки для конкретного типа. Например, для
балансировки ОУ К544УД2 его выводы 1 и 8 через
резистор сопротивлением 62 кОм соединяют с
выводом движка и одним из выводов резистивного
элемента подстроенного резистора
сопротивлением 22 кОм. Свободный вывод этого
резистора соединяют проволочной перемычкой с
выводом 7 ОУ, а через резистор сопротивлением 75
кОм "- с выводом 5 (на рис. 2 эти элементы
показаны штриховыми линиями). При использовании ОУ К544УД1 его вывод 1
через резистор сопротивлением 4.3 кОм
соединяют с выводами подстроенного резистора
сопротивлением 1,5 кОм. Его свободный вывод
подключают к выводу 8 ОУ через резистор сопротивлением 5,1 кОм, а к выводу 7 - проволочной
перемычкой. Для балансировки ОУ К140УД6 и К140УД7
используют резисторы тех же номиналов, но
свободный вывод подстроечного резистора
соединяют через постоянный резистор с выводом 5,
а перемычкой - с выводом 4 ОУ. Впрочем,
балансировка может и не понадобиться, поэтому
эти детали устанавливают только при
необходимости.
Налаживание начинают с того, что вход усилителя
замыкают накоротко, к выходу подсоединяют осциллограф, включенный в режим максимальной
чувствительности, и кратковременно подают
питание. Если на выходе нет переменного
напряжения, т. е. самовозбуждение отсутствует,
измеряют режим работы транзисторов VT3, VT4 и ОУ DA1
по постоянному току. Напряжения питания ОУ
должны лежать в пределах +13,5...14 и -13,5...14 В и быть
примерно одинаковыми (отклонение допустимо в
пределах 0,2...0,3 В). Падения напряжения на
резисторах R12 и R13 должны быть равны 0,35...0,4 В. Если
же они значительно (более чем на 10 %) отличаются от
указанной величины, необходимо подобрать
резисторы R8, R9, следя за тем, чтобы их новые
сопротивления оставались одинаковыми. Заменяют
резисторы при выключенном питании УМЗЧ.
Ориентировочное сопротивление резисторов для ОУ
К544УД2А указано на схеме. При использовании ОУ
К544УД1А и К140УД6 за исходное следует
выбрать их сопротивление 680 Ом, а при
использовании К140УД7 - 560 Ом.
Подобрав резисторы R8, R9, измеряют постоянное
напряжение на выходе УМЗЧ и, если оно превышает
20... 30 мВ, балансируют ОУ DA1. Затем
подсоединяют базы транзисторов VT5, VT6 к
эмиттерам VT3, VT4 и, кратковременно включив
питание, убеждаются, что и в таком виде УМЗЧ не
самовозбуждается. Напряжение шумов и фона
переменного тока при замкнутом накоротко входе
не должно превышать 1 мВ.
Далее к выходу УМЗЧ подключают резистор
сопротивлением 16 Ом с мощностью-рассеяния 10...15
Вт, размыкают вход УМЗЧ, подключают к нему
настроенный на частоту 1 кГц генератор и,
постепенно увеличивая его сигнал до получения на
нагрузке напряжения 13,5...14 В, проверяют
симметричность ограничения положительных и
отрицательных полуволн синусоиды.
Минимального (в указанных пределах) постоянного напряжения на выходе усилителя добиваются при необходимости окончательной балансировкой ОУ DA1. После этого можно приступить к измерению основных характеристик УМЗЧ, нагрузив его номинальной нагрузкой - резистором сопротивлением 4 или 8 Ом. Более подробно особенности налаживания УМЗЧ такого типа описаны в [З].
Максимальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом, Вт | Схема № рисунка в тексте | Рекомендуемый тип ОУ DA1 | Рекомендуемые пары транзисторов оконечного каскада | Сопротивление резисторов,Ом (кОм) | Переменное наряжение, В (ток, А) вторичной обмотки трансформатора Т1 |
Постояное напряжение питания УМЗЧ, В (в отсутствие сигнала) | Ток предохранителя, А | |
R6,R7 (рис.1) | R8,R9 (рис1) R6,R7 (рис.2) | |||||||
15 | 3 | К140УД6 | КТ805А и Т837А КТ805Б и Т837Б КТ818Б и Т819Б КТ818В и Т819В КТ818Г и КТ819Г |
- | 680 | 24(2) | +17и-17 | 3 |
Следует, однако, учесть, что попытка наладить, а тем более точно оценить параметры УМЗЧ, собранного без соблюдения указанных выше правил монтажа, не установив его на предназначенное для него место и не питая его от собственного блока питания, не только не даст желаемого результата, но и может привести к выходу из строя транзисторов выходного каскада. К налаживанию УМЗЧ и измерению его характеристик следует приступать только после полного завершения его конструкции. Простота усилителя только кажущаяся. Не следует забывать, что в составе как ОУ DA1, так и УМЗЧ в целом применены транзисторы с максимальными частотами генерации 100...300 МГц, причем в выходных каскадах - со значительными емкостями переходов, которые способны привести к самовозбуждению даже при кажущемся отсутствии цепей обратной связи и нагрузок достаточной величины. Незначительная индуктивность провода цепи эмиттера, параллельное расположение на значительной длине проводов цепей базы и коллектора могут стать причиной самовозбуждения на высоких частотах, что крайне опасно для транзисторов оконечного и предоконечного каскадов. (Впрочем, это справедливо не только для описываемого устройства, но и для УМЗЧ, собранного по любой другой схеме.)
Характеристики УМЗЧ измеряют по общеизвестным методикам с использованием соответствующей измерительной аппаратуры. Для измерения отдельных параметров, значения которых лежат за пределами возможностей серийных измерительных приборов (например, малых нелинейных искажений), можно пользоваться методиками, опубликованными в журнале «Радио» (см., например, ).
При измерении коэффициента гармоник и относительного уровня шумов и помех следует помнить о возможных наводках со стороны питающей сети, теле- и радиопередатчиков, телевизоров и других радиоприборов из-за плохой экранировки соединительных проводов, входа УМЗЧ и чувствительных измерительных приборов, а также при отсутствии соединения их незаземленных корпусов друг с другом. Иногда достаточно переставить в розетке вилку кабеля питания одного из приборов или УМЗЧ, чтобы получить неверный результат. Кстати, не следует пользоваться известным из старой радиолюбительской практики способом проверки УМЗЧ прикосновением пальца к его входной цепи. Это может привести к такому уровню высокочастотных наводок, что выходные транзисторы выйдут из строя.
Рассмотренная схема может быть взята за основу при создании УМЗЧ с различной выходной мощностью. Для этого надо лишь изменить ряд элементов УМЗЧ и блока питания. Некоторые рекомендации по этому поводу можно почерпнуть из таблицы. При постройке УМЗЧ с выходной мощностью примерно 25 Вт часть элементов можно исключить (см. рис. 3).
Как видно, вместо резистора в цепи неинвертируюшего входа ОУ DA1, соединенного с общим проводом, здесь применен делитель из резисторов R1-R3, что позволило отказаться от среднего вывода вторичной обмотки сетевого трансформатора Т1. Это позволяет использовать трансформаторы с напряжением вторичной обмотки 24...28 В и обеспечивает защиту акустической системы от выхода из строя при пробое одного из транзисторов оконечного каскада.
УМЗЧ по схеме на рис. 3 можно смонтировать на той же печатной плате (см. рис. 4). В этом случае отверстия под выводы резисторов R2, R5-R7 оставляют свободными, резисторы R8 и R9 впаивают непосредственно в цепи питания ОУ DA1, для чего в отверстия под выводы эмиттеров и коллекторов транзисторов VT1, VT2 устанавливают проволочные перемычки. При выходной мощности менее 25 Вт в оконечном каскаде можно применять транзисторы серий КТ805 и КТ837 с любыми буквенными индексами.
Налаживание УМЗЧ по схеме рис. 3 не отличается от описанного выше.
Список радиоэлементов
Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Список компонентов для схемы на рис. 1 | |||||||
DA1 | Микросхема | К544УД2А | 1 | К140УД6Б, К140УД7А, К544УД1А | В блокнот | ||
VT1 | Биполярный транзистор | КТ315А | 1 | В блокнот | |||
VT2 | Биполярный транзистор | КТ361А | 1 | В блокнот | |||
VT3 | Биполярный транзистор | КТ814Б | 1 | В блокнот | |||
VT4 | Биполярный транзистор | КТ815Б | 1 | В блокнот | |||
VT5 | Биполярный транзистор | КТ818Б | 1 | В блокнот | |||
VT6 | Биполярный транзистор | КТ819Б | 1 | В блокнот | |||
VD1-VD4 | Диод | КД202В | 4 | В блокнот | |||
C1 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
C2 | Конденсатор | 470 пФ | 1 | В блокнот | |||
C3 | Конденсатор | 0.033 мкФ | 1 | В блокнот | |||
C4, C5 | Конденсатор | 270 пФ | 2 | В блокнот | |||
C6, C7 | Конденсатор | 0.15 мкФ | 2 | В блокнот | |||
C8, C9 | Электролитический конденсатор | 4700 мкФ 25 В | 2 | В блокнот | |||
C10, C11 | Конденсатор | 0.047 мкФ | 2 | В блокнот | |||
R1 | Резистор | 47 кОм | 1 | В блокнот | |||
R2, R5 | Резистор | 3.3 кОм | 2 | В блокнот | |||
R3 | Резистор | 4.7 кОм | 1 | В блокнот | |||
R4 | Резистор | 300 Ом | 1 | В блокнот | |||
R6, R7 | Резистор | 1.8 кОм | 2 | В блокнот | |||
R8, R9 | Резистор | 200 Ом | 2 | В блокнот | |||
R10 | Резистор | 39 Ом | 1 | В блокнот | |||
R11 | Резистор | 3.9 кОм | 1 | В блокнот | |||
R12, R13 | Резистор | 22 Ом | 2 | В блокнот | |||
R14, R15 | Резистор | 1 кОм | 2 | 2 Вт | В блокнот | ||
L1 | Катушка индуктивности | 3 мкГн | 1 | В блокнот | |||
T1 | Трансформатор | 220 В - 2x17 В | 1 | В блокнот | |||
FU1, FU2 | Плавкий предохранитель | 3 А | 2 | В блокнот | |||
Радиатор | 1 | В блокнот | |||||
Список компонентов для схемы на рис. 2 | |||||||
DA1 | Микросхема | К140УД6А | 1 | В блокнот | |||
VT1 | Биполярный транзистор | КТ814А | 1 | В блокнот | |||
VT2 | Биполярный транзистор | КТ815А | 1 | В блокнот | |||
VT3 | Биполярный транзистор | КТ818А | 1 | В блокнот | |||
VT4 | Биполярный транзистор | КТ819А | 1 | В блокнот | |||
VD1-VD4 | Диод | КД202В | 4 | В блокнот | |||
C1 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 |
Аккумулятора 12В в повышенное двухполярное - можно приступить к самому усилителю мощности. Канальных усилителей в конструкции несколько.
TDA2005
- 20-25 ватт подключены по мостовой схеме. Они собраны на двух отдельных платах, для удобного монтажа. Каждый из усилителей активируется при подаче плюс 12 вольт на вывод ремоут контроля, это замыкает реле и поступает питание усилителя. Входные конденсаторы можно подобрать по вкусу. Микросхемы прикручены на общий теплоотвод через изолирующие прокладки.
Усилитель канала сабвуфера . Знаменитая схема ЛАНЗАРА - самая качественная из всех схем, что я собирал. Это высококачественный усилитель низкой частоты класса АВ. Схема полностью симметрична - от входа и до выхода. Вся радиосхема собрана на комплементарных парах транзисторов, притом подобраны наилучшие пары, максимально схожие по параметрам. Для повышения мощности усилителя, на выходе установлены две пары, благодаря чему, максимальная мощность схемы 390 ватт при нагрузке 2 ом, но усилитель не стоит разогнать на полную, есть опасность угробить выходники. Эмиттерные резисторы на 0,39 ом 5 ватт служат дополнительной защитой выходного каскада, они могут чуть перегреваться, поэтому не следует их прижимать к плате во время монтажа.
Стабилитроны на 15 вольт с мощностью 1-1,5 ватт, следите за правильностью их монтажа, при обратном подключении они будут работать как диод, есть опасность спалить дифференциальный каскад. Дифференциальный каскад - выполнен на маломощных комплементарных парах, которые можно заменить и на другие, максимально схожие по параметрам. Именно в этом каскаде формируется звук, который в последствии усиливается и подается на оконечник (выходной каскад). Если планируете сделать усилитель на 100-150 ватт, то можно исключить вторую пару выходного каскада, поскольку мощность усилителя напрямую зависит от напряжения питания. С одной парой выходников не советуется повышать напряжение питания выше +/-45 вольт. Если планируете собрать сабвуферный усилитель, то это схема то, что вам нужно! Переменным резистором настраивают ток покоя усилителя, от него зависит дальнейший срок службы схемы.
Перед впаиванием подстроечного резистора R15, он должен быть «выкручен» так, чтобы в разрыв дорожки впаивалось его полное сопротивление. Резистор нужно брать многооборотный, им можно очень точно настроить ток покоя, еще очень удобен для дальнейшей настройки. Но конечно если уж его нет, то можно обойтись обыкновенным подстроечником, только желательно вывести его от общей платы проводами, поскольку после монтажа всех компонентов настройка будет почти невозможной.
Ток покоя настраивают после "подогрева схемы", иными словами включите минут 15-20, пусть поиграет, но не увлекайтесь! Ток покоя - важный фактор, без правильной настройки усилитель долго не протянет, от него зависит правильная работа выходного каскада и уровень постоянки на выходе усилителя. Ток покоя можно узнать, измерив падение напряжения на паре эмиттерных резисторов, (мультиметр установить на предел 200мВ, щупы – на эмиттеры VT10 и VT11). Расчёт по формуле: Iпок = Uv/(R26+R26). Далее плавно вращаем подстроечник и смотрим на показания мультиметра. Нужно установить 70-100мА - это эквивалентно показанию мультиметра (30-44) мВ. Проверяем уровень постоянного напряжения на выходе. И вот всё готово - можно насладиться звуком усилителя, собранного своими руками!
Небольшое дополнение. Собрав УМЗЧ, нужно подумать о теплоотводах. Основной теплоотвод был взят из отечественного усилителя РАДИОТЕХНИКА У-101 СТЕРЕО
- он почти не греется во время работы. Маломощные транзисторы диффкаскадов греются, но перегрев не страшный, поэтому в охлаждении не нуждаются. Выходные транзисторы прикручены на основной теплоотвод через изолирующие прокладки, желательно также использовать термопасту, чего я не сделал.
Все остальные транзисторы можно установить на небольшие отдельные теплоотводы, либо использовать общий (для каждого каскада), но в таком случае нужно прикручивать транзисторы через прокладки. ВАЖНО ! Все транзисторы должны прикручиваться к радиаторам через изоляционные прокладки, никаких замыканий на шину не должно быть, поэтому перед включением тщательно проверяйте мультиметром - замыкаются ли выводы транзисторов на теплоотвод. Можно считать сборку устройства завершённой, а на сегодня я с вами прощаюсь - АКА КАСЬЯН.
Обсудить статью УСИЛИТЕЛЬ СВОИМИ РУКАМИ - БЛОК УМЗЧ
Ремонт УМЗЧ – чуть ли не самый частый из вопросов, задаваемых на радиолюбительских форумах. И при том – один из самых сложных. Конечно, существуют «излюбленные» неисправности, но в принципе, выйти из строя может любой из нескольких десятков, а то и сотен компонентов, входящих в состав усилителя. Тем более, что и схем УМЗЧ – великое множество.
Конечно, охватить все случаи, встречающиеся в практике ремонта, не представляется возможным, однако, если следовать определенному алгоритму, то в подавляющем большинстве случаев удается восстановить работоспособность устройства за вполне приемлемое время. Данный алгоритм был выработан мною по опыту ремонта около полусотни различных УМЗЧ, от простейших, на несколько ватт или десятков ватт, до концертных «монстров» по 1…2 кВт на канал, большинство из которых поступало на ремонт без принципиальных схем.
Главной задачей ремонта любого УМЗЧ является локализация вышедшего из строя элемента, повлекшего за собой неработоспособность как всей схемы, так и выход из строя других каскадов. Поскольку в электротехнике бывает всего 2 типа дефектов:
- наличие контакта там, где его быть не должно;
- отсутствие контакта там, где он должен быть.
То «сверхзадачей» ремонта является нахождение пробитого или оборванного элемента!
А для этого – отыскать тот каскад, где он находится. Дальше – «дело техники». Как говорят врачи: «Правильный диагноз - половина лечения».
Перечень оборудования и инструментов, необходимых (или по крайней мере крайне желательных) при ремонте:
- отвертки, бокорезы, пассатижи, скальпель (нож), пинцет, лупа – т.е., минимальный обязательный набор обычного монтажного инструмента;
- тестер (мультиметр);
- осциллограф;
- набор ламп накаливания на различные напряжения – от 220 В до 12 В (по 2 шт.);
- низкочастотный генератор синусоидального напряжения (весьма желательно);
- двухполярный регулируемый источник питания на 15-25 (35) В с ограничением;
- выходного тока (весьма желательно);
- измеритель емкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторов (весьма желательно);
- и, наконец, самый главный инструмент – голова на плечах (обязательно!).
Рассмотрим данный алгоритм на примере ремонта гипотетического транзисторного УМЗЧ с биполярными транзисторами в выходных каскадах (рис.1), не слишком примитивного, но и не очень сложного. Такая схема является наиболее распространенной «классикой жанра». Функционально он состоит из следующих блоков и узлов:
- двухполярный источник питания (не показан);
- входной дифференциальный каскад на транзисторах VT2, VT5 с токовым зеркалом на транзисторах VT1 и VT4 в их коллекторных нагрузках и стабилизатором их эмиттерного тока на VT3;
- усилитель напряжения на VT6 и VT8 в каскадном включении, с нагрузкой в виде генератора тока на VT7;
- узел термостабилизации тока покоя на транзисторе VT9;
- узел защиты выходных транзисторов от перегрузки по току на транзисторах VT10 и VT11;
- усилитель тока на комплементарных тройках транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона в каждом плече (VT12VT14VT16 и VT13VT15VT17).
Рисунок 1
1. Первым пунктом любого ремонта является внешний осмотр сабжа и его обнюхивание (!). Уже одно это позволяет иногда хотя бы предположить сущность дефекта. Если пахнет паленым – значит, что-то явно горело.
2. Проверка наличия сетевого напряжения на входе: тупо перегорел сетевой предохранитель, разболталось крепление проводов сетевого шнура в вилке, обрыв в сетевом шнуре и т.п. Этап – банальнейший по своей сущности, но на котором ремонт заканчивается примерно в 10% случаев.
3. Ищем схему на усилитель. В инструкции, в Интернете, у знакомых, друзей и т.п. К сожалению, все чаше и чаще в последнее время – безуспешно. Не нашли – тяжко вздыхаем, посыпаем голову пеплом и принимаемся за вырисовывание схемы по плате. Можно этот этап и пропустить. Если неважен результат. Но лучше не пропускать. Муторно, долго, противно, но – «Надо, Федя, надо…» ((С) «Операция «Ы»…).
4. Вскрываем сабж и производим внешний осмотр его «потрохов». Применяем лупу, если нужно. Можно увидеть разрушенные корпуса п/п приборов, потемневшие, обуглившиеся или разрушенные резисторы, вздутые электролитические конденсаторы или потеки электролита из них, оборванные проводники, дорожки печатной платы и т.п. Если таковое найдено – это еще не повод для радости: разрушенные детали могут быть следствием выхода из строя какой-нибудь «блошки», которая визуально цела.
5. Проверяем блок питания. Отпаиваем провода, идущие от БП к схеме (или отсоединяем разъем, если он есть). Вынимаем сетевой предохранитель и к контактам его держателя подпаиваем лампу на 220 В (60-100 Вт). Она ограничит ток первичной обмотки трансформатора, равно как и токи во вторичных обмотках. Включаем усилитель. Лампа должна мигнуть (на время зарядки конденсаторов фильтра) и погаснуть (допускается слабое свечение нити). Это значит, что К.З. по первичной обмотке сетевого трансформатора нет, как нет явного К.З. в его вторичных обмотках. Тестером на режиме переменного напряжения измеряем напряжение на первичной обмотке трансформатора и на лампе. Их сумма должна быть равна сетевому. Измеряем напряжения на вторичных обмотках. Они должны быть пропорциональными тому, что измерено фактически на первичной обмотке (относительно номинального). Лампу можно отключать, ставить предохранитель на место и включать усилитель прямо в сеть. Повторяем проверку напряжений на первичной и вторичной обмотках. Соотношение (пропорция) между ними должно быть таким же, как при измерении с лампой. Лампа горит постоянно в полный накал – значит, имеем К.З. в первичной цепи: проверяем целостность изоляции проводов, идущих от сетевого разъема, тумблер питания, держатель предохранителя. Отпаиваем один из поводов, идущих на первичную обмотку трансформатора. Лампа погасла – скорее всего вышла из строя первичная обмотка (или межвитковое замыкание). Лампа горит постоянно в неполный накал – скорее всего, дефект во вторичных обмотках или в подключенных к ним цепях. Отпаиваем по одному проводу, идущему от вторичных обмоток к выпрямителя(м). Не перепутать, Кулибин! Чтобы потом не было мучительно больно от неправильной подпайки назад (промаркировать, например, с помощью кусочков липкой малярной ленты). Лампа погасла – значит, с трансформатором все в порядке. Горит – снова тяжко вздыхаем и либо ищем ему замену, либо перематываем.
6. Определились, что трансформатор в порядке, а дефект в выпрямителях или конденсаторах фильтра. Прозваниваем диоды (желательно отпаять под одному проводу идущему к их выводам, либо выпаять, если это интегральный мост) тестером в режиме омметра на минимальном пределе. Цифровые тестеры в этом режиме часто врут, поэтому желательно использовать стрелочный прибор. Лично я давно пользуюсь прозвонкой – «пищалкой» (рис. 2, 3). Диоды (мост) пробиты или оборваны – меняем. Целые – «звоним» конденсаторы фильтра. Перед измерением их надо разрядить (!!!) через 2-ваттный резистор сопротивлением около 100 Ом. Иначе можно сжечь тестер. Если конденсатор цел – при замыкании стрелка сначала отклоняется до максимума, а потом довольно медленно (по мере заряда конденсатора) «ползет» влево. Меняем подключение щупов. Стрелка сначала зашкаливает вправо (на конденсаторе остался заряд от предыдущего измерения) а потом опять ползет влево. Если есть измеритель емкости и ESR, то весьма желательно использовать его. Пробитые или оборванные конденсаторы меняем.
Рисунок 2
Рисунок 3
7. Выпрямители и конденсаторы целые, но на выходе блока питания стоит стабилизатор напряжения? Не беда. Между выходом выпрямителя(ей) и входом(ами) стабилизатора(ов) включаем лампу(ы) (цепочку(и) ламп) на суммарное напряжение близкое к указанному на корпусе конденсатора фильтра. Лампа загорелась – дефект в стабилизаторе (если он интегральный), либо в цепи формирования опорного напряжения (если он на дискретных элементах), либо пробит конденсатор на его выходе. Пробитый регулирующий транзистор определяется прозваниванием его выводов (выпаять!).
8. С блоком питания все в порядке (напряжения на его выходе симметричные и номинальные)? Переходим к самому главному – собственно усилителю. Подбираем лампу (или цепочки ламп) на суммарное напряжение, не ниже номинального с выхода БП и через нее (них) подключаем плату усилителя. Причем, желательно к каждому из каналов по отдельности. Включаем. Загорелись обе лампы – пробиты оба плеча выходных каскадов. Только одна – одно из плеч. Хотя и не факт. Лампы не горят или горит только одна из них. Значит, выходные каскады, скорее всего, целые. К выходу подключаем резистор на 10-20 Ом. Включаем. Лампы должны мигнуть (на плате обычно есть еще конденсаторы по питанию). Подаем на вход сигнал от генератора (регулятор усиления – на максимум). Лампы (обе!) зажглись. Значит, усилитель что-то усиливает, (хотя хрипит, фонит и т.п.) и дальнейший ремонт заключается в поиске элемента, выводящего его из режима. Об этом – ниже.
9. Для дальнейшей проверки лично я не использую штатный блок питания усилителя, а применяю 2-полярный стабилизированный БП с ограничением тока на уровне 0,5 А. Если такового нет – можно использовать и БП усилителя, подключенный, как было указано, через лампы накаливания. Только нужно тщательно изолировать их цоколи, чтобы случайно не вызвать КЗ и быть аккуратным, чтобы не разбить колбы. Но внешний БП – лучше. Заодно виден и потребляемый ток. Грамотно спроектированный УМЗЧ допускает колебания питающих напряжений в довольно больших пределах. Нам ведь не нужны при ремонте его супер-пупер параметры, достаточно просто работоспособности.
10. Итак, с БП всё в порядке. Переходим к плате усилителя (рис. 4). Перво-наперво надо локализовать каскад(ы) с пробитым(и)/оборванным(и) компонентом(ами). Для этого крайне желательно иметь осциллограф. Без него эффективность ремонта падает в разы. Хотя и с тестером можно тоже много чего сделать. Почти все измерения производятся без нагрузки (на холостом ходу). Допустим, что на выходе у нас «перекос» выходного напряжения от нескольких вольт до полного напряжения питания.
11. Для начала отключаем узел защиты, для чего выпаиваем из платы правые выводы диодов VD6 и VD7 (у меня в практике было три случая, когда причиной неработоспособности был выход из строя именно этого узла). Смотрим напряжение не выходе. Если нормализовалось (может быть остаточный перекос в несколько милливольт – это норма), прозваниваем VD6, VD7 и VT10, VT11. Могут быть обрывы и пробои пассивных элементов. Нашли пробитый элемент – меняем и восстанавливаем подключение диодов. На выходе ноль? Выходной сигнал (при подаче на вход сигнала от генератора) присутствует? Ремонт закончен. Ничего с сигналом на выходе не изменилось? Оставляем диоды отключенными и идем дальше.
12. Выпаиваем из платы правый вывод резистора ООС (R12 вместе с правым выводом C6), а также левые выводы R23 и R24, которые соединяем проволочной перемычкой (показана на рис. 4 красным) и через дополнительный резистор (без нумерации, порядка 10 кОм) соединяем с общим проводом. Перемыкаем проволочной перемычкой (красный цвет) коллекторы VT8 и VT7, исключая конденсатор С8 и узел термостабилизации тока покоя. В итоге усилитель разъединяется на два самостоятельных узла (входной каскад с усилителем напряжения и каскад выходных повторителей), которые должны работать самостоятельно. Смотрим, что имеем на выходе. Перекос напряжения остался? Значит, пробит(ы) транзистор(ы) «перекошенного» плеча. Выпаиваем, звоним, заменяем. Заодно проверяем и пассивные компоненты (резисторы). Наиболее частый вариант дефекта, однако должен заметить, что очень часто он является следствием выхода из строя какого-то элемента в предыдущих каскадах (включая узел защиты!). Поэтому последующие пункты все-таки желательно выполнить. Перекоса нет? Значит, выходной каскад предположительно цел. На всякий случай подаем сигнал от генератора амплитудой 3-5 В в точку «Б» (соединения резисторов R23 и R24). На выходе должна быть синусоида с хорошо выраженной «ступенькой», верхняя и нижняя полуволны которой симметричны. Если они не симметричны – значит, «подгорел» (потерял параметры) какой-то из транзисторов плеча, где она ниже. Выпаиваем, звоним. Заодно проверяем и пассивные компоненты (резисторы) Сигнала на выходе нет вообще? Значит, вылетели силовые транзисторы обоих плеч «насквозь». Печально, но придется выпаивать все и прозванивать с последующей заменой. Не исключены и обрывы компонентов. Тут уж нужно включать «8-й инструмент». Проверяем, заменяем…
Рисунок 4
13. Добились симметричного повторения на выходе (со ступенькой) входного сигнала? Выходной каскад отремонтирован. А теперь нужно проверить работоспособность узла термостабилизации тока покоя (транзистор VT9). Иногда наблюдается нарушение контакта движка переменного резистора R22 с резистивной дорожкой. Если он включен в эмиттерной цепи, как показано на приведенной схеме, ничего страшного с выходным каскадом при этом произойти не может, т.к. в точке подключения базы VT9 к делителю R20–R22R21 напряжение просто повышается, он приоткрывается больше и, соответственно, снижается падение напряжения между его коллектором и эмиттером. В выходном сигнале простоя появится ярко выраженная «ступенька». Однако (очень даже нередко), подстроечный резистор ставится между коллектором и базой VT9. Крайне «дураконезащищенный» вариант! Тогда при потере контакта движка с резистивной дорожкой напряжение на базе VT9 снижается, он призакрывается и, соответственно, повышается падение напряжения между его коллектором и эмиттером, что ведет к резкому возрастанию тока покоя выходных транзисторов, их перегреву и, естественно, тепловому пробою. Еще более дурацкий вариант выполнения этого каскада – если база VT9 соединена только с движком переменного резистора. Тогда при потере контакта на ней может быть все, что угодно, с соответствующими последствиями для выходных каскадов. Если есть возможность, стоит переставить R22 в базо-эмиттерную цепь. Правда, при этом регулировка тока покоя станет выражено нелинейной от угла поворота движка, но IMHO это не такая уж и большая плата за надежность. Можно просто заменить транзистор VT9 на другой, с обратным типом проводимости, если позволяет разводка дорожек на плате. На работу узла термостабилизации это никак не повлияет, т.к. он является двухполюсником и не зависит от типа проводимости транзистора. Проверка этого каскада осложняется тем, что, как правило, соединения с коллекторами VT8 и VT7 сделаны печатными проводниками. Придется поднимать ножки резисторов и делать соединения проводочками (на рис. 4 показаны разрывы проводников). Между шинами положительного и отрицательного напряжений питания и, соответственно, коллектором и эмиттером VT9 включаются резисторы примерно по 10 кОм (без нумерации, показаны красным) и замеряется падение напряжения на транзисторе VT9 при вращении движка подстроечного резистора R22. В зависимости от количества каскадов повторителей оно должно изменяться в пределах примерно 3-5 В (для «троек, как на схеме) или 2,5-3,5 В (для «двоек»).
14. Вот и добрались мы до самого интересного, но и самого сложного – дифкаскада с усилителем напряжения. Они работают только совместно и разделить их на отдельные узлы принципиально невозможно. Перемыкаем правый вывод резистора ООС R12 с колекторами VT8 и VT7 (точка «А», являющаяся теперь его «выходом»). Получаем «урезанный» (без выходных каскадов) маломощный ОУ, вполне работоспособный на холостом ходе (без нагрузки). Подаем на вход сигнал амплитудой от 0,01 до 1 В и смотрим, что будет в точке А. Если наблюдаем усиленный сигнал симметричной относительно земли формы, без искажений, значит данный каскад цел.
15. Сигнал резко снижен по амплитуде (мало усиление) – в первую очередь проверить емкость конденсатора(ов) С3(С4, т.к. производители для экономии очень часто ставят только один полярный конденсатор на напряжение 50 В и больше, рассчитывая, что в обратной полярности он все равно будет работать, что не есть гут). При его подсыхании или пробое резко снижается коэффициент усиления. Если нет измерителя емкости – проверяем просто путем замены на заведомо исправный. Сигнал перекошен – в первую очередь проверить емкость конденсаторов С5 и С9, шунтирующих шины питания предусилительной части после резисторов R17 и R19 (если эти RC-фильтры вообще есть, т.к. нередко они не ставятся). На схеме приведены два распространенных варианта симметрирования нулевого уровня: резистором R6 или R7 (могут быть, конечно же, и другие), при нарушении контакта движка которых тоже может быть перекос выходного напряжения. Проверить вращением движка (хотя, если контакт нарушен «капитально», это может и не дать результата). Тогда попробовать перемкнуть пинцетом их крайние выводы с выводом движка. Сигнал вообще отсутствует – смотрим, а есть ли он вообще на входе (обрыв R3 или С1, К.З. в R1, R2, С2 и т.п.). Только сначала нужно выпаять базу VT2, т.к. на ней сигнал будет очень маленьким и смотреть на правом выводе резистора R3. Конечно, входные цепи могут сильно отличаться от приведенных на рисунке – включать «8-й инструмент». Помогает.
16. Естественно, описать все возможные причинно-следственные варианты дефектов мало реально. Поэтому дальше просто изложу, как проверять узлы и компоненты данного каскада. Стабилизаторы тока VT3 и VT7. В них возможны пробои или обрывы. Из платы выпаиваются коллекторы и замеряется ток между ними и землей. Естественно, сначала нужно рассчитать по напряжению на их базах и номиналам эмиттерных резисторов, каким он должен быть. (N.B.! В моей практике был случай самовозбуждения усилителя из-за чрезмерно большого номинала резистора R10, поставленного изготовителем. Помогла подстройка его номинала на полностью работающем усилителе – без указанного выше разделения на каскады). Аналогично можно проверить и транзистор VT8: если перемкнуть коллектор-эмиттер транзистора VT6, он также тупо превращается в генератор тока. Транзисторы дифкаскада VT2V5T и токового зеркала VT1VT4, а также VT6 проверяются их прозвонкой после отпайки. Лучше замерить коэффициент усиления (если тестер – с такой функцией). Желательно подобрать с одинаковыми коэффициентами усиления.
17. Пару слов «не для протокола». Почему-то в подавляющем большинстве случаев в каждый последующий каскад ставят транзисторы все большей и большей мощности. В этой зависимости есть одно исключение: на транзисторах каскада усиления напряжения (VT8 и VT7) рассеивается в 3-4 раза большая мощность, чем на предрайверных VT12 и VT23 (!!!). Поэтому, если есть такая возможность, их сто́ит сразу же заменить на транзисторы средней мощности. Неплохим вариантом будет КТ940/КТ9115 или аналогичные импортные.
18. Довольно нередкими дефектами в моей практике были непропаи («холодная» пайка к дорожкам/«пятачкам» или плохое облуживание выводов перед пайкой) ножек компонентов и обломы выводов транзисторов (особенно в пластмассовом корпусе) непосредственно возле корпуса, которые очень трудно было увидеть визуально. Пошатать транзисторы, внимательно наблюдая за их выводами. В крайнем случае – выпаять и впаять заново. Если проверили все активные компоненты, а дефект сохраняется – нужно (опять же, с тяжким вздохом), выпаять из платы хоть по одной ножке и проверить тестером номиналы пассивных компонентов. Нередки случаи обрывов постоянных резисторов без каких-либо внешних проявлений. Неэлектролитические конденсаторы, как правило, не пробиваются/обрываются, но всякое бывает…
19. Опять же, по опыту ремонта: если на плате видны потемневшие/обугленные резисторы, причем симметрично в обеих плечах, стоит пересчитать выделяемую на нем мощность. В житомирском усилителе «Dominator» производитель поставил в одном из каскадов резисторы по 0,25 Вт, которые регулярно горели (до меня было 3 ремонта). Когда я просчитал их необходимую мощность – чуть не упал со стула: оказалось, что на них должно рассеиваться по 3 (три!) ватта…
20. Наконец, все заработало… Восстанавливаем все «порушенные» соединения. Совет вроде бы и банальнейший, но сколько раз забываемый!!! Восстанавливаем в обратной последовательности и после каждого соединения проверяем усилитель на работоспособность. Нередко покаскадная проверка, вроде бы, показала, что все исправно, а после восстановления соединений дефект опять «выползал». Последними подпаиваем диоды каскада токовой защиты.
21. Выставляем ток покоя. Между БП и платой усилителя включаем (если они были отключены ранее) «гирлянду» ламп накаливания на соответствующее суммарное напряжение. Подключаем к выходу УМЗЧ эквивалент нагрузки (резистор на 4 или 8 Ом). Движок подстроечного резистора R22 устанавливаем в нижнее по схеме положение и на вход подаем сигнал от генератора частотой 10-20 кГц (!!!) такой амплитуды, чтобы на выходе выл сигнал не более 0,5-1 В. При таких уровне и частоте сигнала хорошо заметна «ступенька», которую трудно заметить на большом сигнале и малой частоте. Вращением движка R22 добиваемся ее устранения. При этом нити накала ламп должны немного светиться. Можно проконтролировать ток и амперметром, включив его параллельно каждой гирлянде ламп. Не сто́ит удивляться, если он будет заметно (но не более, чем в 1,5-2 раза в бо́льшую сторону) отличаться от того, что указано в рекомендациях по настройке – нам ведь важно не «соблюдение рекомендаций», а качество звучания! Как правило, в «рекомендациях» ток покоя значительно завышается, для гарантированного достижения запланированных параметров («по худшему»). Перемыкаем «гирлянды» перемычкой, повышаем уровень выходного сигнала до уровня 0,7 от максимального (когда начинается амплитудное ограничение выходного сигнала) и даем усилителю прогреться 20-30 минут. Этот режим является наиболее тяжелым для транзисторов выходного каскада – на них при этом рассеивается максимальная мощность. Если «ступенька» не появилась (при малом уровне сигнала), а ток покоя возрос не более, чем в 2 раза, настройку считаем законченной, иначе убираем «ступеньку» снова (как было указано выше).
22. Убираем все временные соединения (не забывать!!!), собираем усилитель окончательно, закрываем корпус и наливаем чарку, которую с чувством глубокого удовлетворения проделанной работой, выпиваем. А то работать не будет!
Конечно же, в рамках данной статьи не описаны нюансы ремонта усилителей с «экзотическими» каскадами, с ОУ на входе, с выходными транзисторами, включенными с ОЭ, с «двухэтажными» выходными каскадами и многое другое…
Поэтому ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ…