Наверно-однотактный транзисторный УНЧ в режиме ЭА

Автор: misterzu
Опубликовано 09.02.2016
Создано при помощи КотоРед.

Основой предлагаемого усилителя является однотактный выходной каскад, являющийся модификацией буфера, предложенного И. Семыниным. В отличии от изначального варианта данная модификация действительно работает в ЭA (супер-А) режиме, что означает что транзисторы выходного каскада никогда не переходят в закрытое состояние, и в то же время ток покоя схемы (выбран 400мА) ниже чем ток покоя схемы с аналогичной максимальной выходной мощностью, но которая бы работала в чистом классе А.

 Это было достигнуто введением цепи коррекции тока выходного каскада (с быстродействующим диодом Шоттки в качестве порогового элемента), которая предотвращает закрытие нижнего транзистора при превышении тока через нагрузку значения тока покоя. Так же к схеме была добавлен УН, охваченный общей ООС, задающей с КУ по напряжению = 11. Для минимизации гармонических искажений при сохранении достаточной устойчивости и простоты схемы был выбран высокий ток покоя этой части схемы – 40мА, что потребовало введения на входе дополнительного буфера, не охваченного ООС. Поскольку буфер работает в слабосигнальном режиме, то его искажения пренебрежимо малы. Между этим буфером и входом усилителя установлен RC фильтр, который с одной стороны фильтрует нежелательные ВЧ помехи по входу (частота среза - 500КГц), с другой – повышает быстродействие контура  ООС. Примерно аналогичный прием был использован в “усилителе с широкополосной ООС” И.Т. Акулиничева, но в отличии от него я не стал отказываться от частотной коррекции ООС, что позволило повысить устойчивость при работе на емкостную нагрузку.

Питание усилителя однополярное,  причем используется виртуальная земля, что означает, что в стерео варианте каждый из каналов должен питаться от отдельной обмотки трансформатора, совершенно не связанной ни с обмоткой питания другого канала ни с питанием предусилителя (если таковой будет). Это ограничение можно обойти схемотехнически, сделав сопряжение виртуальной земли на ОУ или (лучше) на специализированной микросхеме, ну да впрочем оно не так уж страшно, учитывая что одному каналу требуется лишь одна обмотка трансформатора (однополярное же питание). Виртуальная земля так же требует особого подхода чтобы добиться минимального проникновения пульсаций питающего напряжения на выход схемы,  и у меня это вроде получилось – при амплитуде 2Vpk на выходе составляет уровень пульсаций составляет менее -90dB, что означает что фона не слышно от слова совсем. Другой (часто забытой) особенностью схем с виртуальной землей, является периодический характер переходных процессов. Это означает, что броски питающего напряжения, а так же низкочастотные сигналы по входу приводят к появлению одно..двух затухающих периодов инфразвуковых колебаний на выходе усилителя. При особенно неудачно подобранных параметрах разделительных емкостей таких периодов может быть даже под десяток после каждого возмущения. Аналогичный эффект так же наблюдается и в усилителях с двухполярным питанием с неверно спроектированным интегратором.  Для подавления этого эффекта в этой схеме по входу стоит демпфирующая цепочка из параллельно соединенных конденсатора и резистора, что нивелирует эту проблему.

Для плавного запуска схемы и минимизации эффектов переходных процессов при ее включении/выключении имеется реле с задержкой включения: при включении его контакты замыкаются через 2..3 секунды, в течении которых усилитель питается через мощный термистор, а его выход зашунтирован мощным резистором на 2.4 Ома. Это обеспечивает плавную зарядку емкостей питания и минимальные броски напряжения на выходе при установлении режима. Когда задержка отработана реле шунтирует своими контактами термистор и отключает одноомный резистор от выхода усилителя. При пропадании питания реле максимально быстро отключается, снова шунтируя резистором выход усилителя. Пожалуй стоило бы добавить добавочное еще слабосигнальное реле, которое бы шунтировало вход усилителя в течении запуска, чтобы избежать проигрывания искаженного сигнала если усилитель был включен с работающим источником, но - не сегодня..

В схеме имеется так же защита от перегрузки по току с индикацией. Защиты от постоянного напряжения на выходе нету, так как выход развязан по постоянному току конденсаторами. Если защита от перегрузки не требуется, то нарисованные на принципиальной схеме зеленым элементы можно не припаивать. Работать будет не хуже, а может даже и лучше. Но кот – животное хоть и любопытное, но осторожное, потому - я бы не советовал.

Теперь про элементы, монтаж и наладку. Режущий глаз зоопарк моделей транзисторов был найден методом научного тыка. При использовании обычных BD’шек микрокап весьма и весьма промазал как с режимом по постоянному току, так и с искажениями. Впрочем в некоторых местах (T3, T4) в принципе неплохо работают и обычные BD139/140, но разброс параметров у них слишком велик. В моих экспериментах лучше всех BD’шек работали те что пр-ва ST, да с бетой повыше. По этой же причине BD’шки не годятся для T8 – почему-то у них почти всех очень низкое значение Vbe (да еще и очень разное), что приводит к повышенному току покоя. Впрочем, повышенный ток покоя ведет не только к повышенному нагреву, но и к пониженным искажениям, так что при наличии хорошего теплоотвода можно поэкспериментировать и с бОльшим током ВК. В качестве коллекторного и эмиттерного резисторов выходного каскада я использовал набор из последовательно-параллельно соединенных SMD2512, каждый из которых рассчитан на мощность рассеяния до 1Вт. Это решение минимизировало паразитную индуктивность (что важно для коллекторных резисторов) и позволило точно подбирать значения сопротивлений, добиваясь нужного тока покоя. На плате есть и другие SMD резисторы на которых может выделяться свыше четверти ватта – они так же 2512, остальные же - типоразмера 1206. Кстати насчет индуктивностей. Эмиттерная индуктивность L1 намотана проводом диаметром 0.8мм - 20 витков на каркасе диаметром 10мм, а выходная индуктивность L2 – 15 витков проводом  1.2мм на каркасе 6мм. Все керамические SMD конденсаторы – типоразмера 1206 и на основе C0G/NP0 керамики (это очень важно!) и рассчитаны на напряжение 100V (бывают еще 50V NP0 аналогичного размера, но это больно уж впритык).

Ток покоя выходного каскада я задал примерно 0.4А, его проще всего контролировать наблюдая падение напряжения на верхней группе резисторов общим сопротивлением 0.1Ом, которая является датчиком тока для защиты. В норме оно должно быть 0.4А. Если оно незначительно отличается от этой цифры – можно добавить/убавить группу резисторов общим сопротивлением 0.65Ома, если же отличие значительное – значит что-то не так с монтажом или элементами. Ток покоя слегка плавает в зависимости от нагрева, но не критично: при включении с абсолютно холодным радиатором у меня он составляет 390мА, при нагреве радиатора до 60С (это тестовый образец с мелким радиатором) – поднимается до 450мА. Так же при наладке не помешает проконтролировать токи покоя прочих каскадов, в норме они не должны сильно отличаться от указанных на схеме.

Номинал конденсатор частотной коррекции ООС (C10) на схеме указан как 330пФ..560пФ. Это потому что симулятор (микрокап) сказал что надо нанофараду и никак не меньше, но суровая реальность наложила на схему отпечаток своей лапы. Оказалось что нанофарада как раз таки ухудшает стабильность, а вот 330пФ - в самый раз. Впрочем половина нФ тоже ведет себя хорошо, от того и такая неопределенность на схеме. Для возможности оперативного подбора на печатной плате предусмотрено посадочное место для дополнительного конденсатора, т.к. найти C0G керамический конденсатор емкостью >330пФ на напряжение 100В не так просто.

Выглядит девайс примерно так:

Тестирование на нагрузку 7.2 Ома показало следующие цифры искажений, измеренные при помощи RMAA на частотах 1КГц и 10КГц с различными уровнями сигнала:

Хочу заметить, что рост искажений на частоте 10КГц в основном обусловлен возросшей нагрузкой на не охваченный ООС входной эмиттерный повторитель, который нагружен на RC фильтр. А вот скриншоты спектров искажений для каждой колонки из этой таблички:

..Выше 19В схема впадает в некрасивый клиппинг, потому лучше ее до этого не доводить. 18Vpk на нагрузке 7.2Ома соответствует 22.5Вт RMS мощности, отдаваемой в нагрузку. И кстати это примерно равно мощности, потребляемой усилителем в покое.

А вот меандр, с уровнем 5 и 15В:

И форма фронта/спада, растянутая по оси времени:

А еще я тут загрузил .sav файлы RMAA и lay файл, нарисованный в Sprint Layout 6. Видимо они будут в конце статьи. Где-то вот тут:

Файлы:
плата для sprint layout 6
RMAA saves

Все вопросы в Форум.