Транзисторный усилитель НЧ с согласующим трансформатором (20Вт)

Трансляционный усилитель низкой частоты

Трансляционный усилитель ULT-15R предназначен для усиления сигналов звуковой частоты в трактах передачи команд и передачи. Бродя по своим вещам на заваленном радио-мусором чердаке, наткнулся на громкий усилитель связи с корабля «Рябина», ну и решил, что может кому-то пригодится. Усилитель б / у и надежен.

правда, у него нет защиты от короткого замыкания на выходе, поэтому приходилось постоянно клеить новые рамки и перематывать выходные трансформаторы.

Электрические параметры усилителя УЛТ-15Р Входное напряжение, В………… 0,78 ± 0,04 Сопротивление нагрузки, Ом… 60 Выходное напряжение, В………… 30 Нелинейные искажения,%……….. 4 частота, Гц …… …………… .150… 6000 Напряжение питания, В ………… .24 Потребляемый ток, А …………… ..1,5

Принципиальная схема усилителя представлена ​​на рисунке 1. Усилитель содержит три каскада предварительного усиления, собранные на транзисторах VT1, VT2, VT3 по схеме с общим эмиттером и оконечным двухтактным каскадом на транзисторах VT4… VT7 с выход трансформатора, обеспечивающий необходимое выходное напряжение на нагрузке. Напряжение питания первой ступени стабилизируется параметрическим стабилизатором, установленным на стабилитронах D1, D2 и резисторе R6. С помощью резисторов R1 и R3 установите рабочую точку транзистора, соответствующую режиму А.

На эмиттер транзистора первой ступени подается напряжение отрицательной обратной связи, снимаемое со специально разработанной обмотки, вывод 3 трансформатора ТР2. Частотно-зависимые ООС, в том числе резистор R19, конденсаторы С5 и С6. Для повышения термостабилизации режима работы каскада на транзисторах VT2 и VT3 в базовую схему транзистора VT2 включен термистор R7. Использование в качестве транзистора VT3, транзистора с обратной проводимостью, позволило исключить переходную емкость между вторым и третьим каскадами. Рабочая точка этой фазы устанавливается с помощью резистора R9. Конденсатор C3 получает сопротивление R13 от переменного напряжения усиленного сигнала. Это увеличивает общий коэффициент усиления всего усилителя. Характеристика в низкочастотной области зависит от величины ее емкости. Резистор R13 — резистор обратной связи по току, обеспечивающий стабильную работу усилителя. Нагрузкой транзистора VT3 является согласующий трансформатор ТП1 — ПТ-853.

Трансформатор ПТ-853 сердечник ШЛ10 × 16, провод ПЭТВ-2. Обмотка 1 — 5, 2 — 4 …… 1000 витков, D = 0,112 мм Обмотка 9 — 10 …………… 500 витков, D = 0,2 мм

С его выходных обмоток противофазные сигналы поступают на базы композитных выходных транзисторов. С помощью включенного в базовую схему делителя резистора R16 устанавливается режим работы класса АВ, исключающий появление в выходном сигнале нелинейных искажений ступенчатого типа. Конденсатор C4 также увеличивает стабильность усилителя, уменьшая возможность возбуждения УНЧ на высоких частотах. Коэффициент усиления в области высоких частот зависит от его емкости. Термистор R15 стабилизирует рабочую точку транзисторов выходного каскада при изменении температуры окружающей среды. При самостоятельном изготовлении усилителя в качестве сердечника выходного трансформатора можно использовать сердечник ТВК-110 и ТВК-110Л1.

Схема усилителя «Падик»

Усилитель представляет собой классическую схему Лина. Входной каскад состоит из генератора стабильного тока (GST) на транзисторе VT1, который питает дифференциальный каскад на VT2 и VT3. Полоса пропускания формируется фильтром высоких частот, сформированным элементами R2C2, а также фильтром низких частот, сформированным элементами C1R1.

Каскад усиления напряжения (КУН) образован транзистором VT6, который питается от генератора стабильного тока VT5. Транзистор VT6 защищен от короткого замыкания на выходе усилителя и клиппирования КУН. VT4 действует как защита, которая при превышении тока КУН отклоняет базу транзистора VT6, закрывая его. Без этого элемента при коротком замыкании сразу выходит из строя транзистор VT6.

Транзисторы GST открываются, попадая на диоды VD1 и VD2, когда через них протекает ток резистора R8. Токи генератора устанавливаются резисторами R3 и R10.

Блок задания тока покоя реализован на транзисторе VT7 и не имеет регулирующих элементов.

Выходной каскад построен на полевых МОП-транзисторах VT10 и VT11, которые защищены транзисторами VT8 и VT9 от короткого замыкания на выходе усилителя. При перегрузке или коротком замыкании ток через резисторы истока R22 и R24 увеличивается, а затем увеличивается падение напряжения на них, и при достижении определенного значения VT8 и VT9 открываются, минуя затворы транзистора выхода каскада.

Компоненты

Все резисторы мощностью 0,25 Вт, за исключением резисторов истока R22 и R24, их мощность должна быть 2 Вт.

Конденсатор С2 может быть пленочным или керамическим. Остальные неполярные емкости керамические.

возможна установка любых выпрямительных диодов.

Дифференциальные транзисторы VT2 и VT3 необходимо выбирать с одинаковым коэффициентом усиления по току (бета). При установке их корпусов желательно покрыть их теплопроводной пастой, соединить между собой и стянуть термоусадочной трубкой.

Также рекомендуется соединить резисторы R4 / R7 и R2 / R9 в пару. Этот выбор необходим для уменьшения постоянной составляющей на выходе усилителя. Если же из-за небольшого разброса параметров компонентов на выходе усилителя (с замкнутым входом) несколько сотен милливольт, то можно снизить ток ГСТ каскада усилителя напряжения на увеличение сопротивления резистора R3 на 470-680 Ом.

Транзисторы 2N5401 можно заменить на BC556, BC557, KT3107A, KT3107B и другие PNP-транзисторы с напряжением KE не менее 40В.

Транзисторы 2N5551 можно заменить на BC546, BC547, KT3102A, KT3102B и другие NPN-транзисторы с напряжением KE не менее 40 В.

Транзистор BD135 заменяется на BD137 или BD139 или любой другой NPN-транзистор средней мощности.

Я установил IRF640 / IRF9540 как полевой МОП-транзистор.

Внимание! При замене полупроводниковых элементов обязательно сравнивайте распиновку.

Индуктор L1 намотан на круг диаметром 6-8 мм и имеет 16 витков эмалированного провода диаметром 0,8-1 мм.

Практика

Несмотря на все недостатки и технические характеристики, усилители класса А по-прежнему выпускаются разными производителями и составляют весьма очевидную нишу на рынке Hi-Fi, а точнее в сегменте High End, где размер, потребление энергии, работа , сложность и даже цена могут быть проигнорированы звуком ради Ее Величества.

Кроме того, с 1916 года по настоящее время появилось много талантливых инженеров, которые нашли способы значительно компенсировать вышеупомянутые проблемы.

Прекрасным примером вышесказанного является ламповый усилитель Octave V 16 с несимметричным выходом. Слова Single Ended в названии переводятся как «single-end», что является техническим описанием того, как работает лампа и, по сути, является синонимом понятия «класс A».

Чтобы оживить классические схемы и приблизить рабочие характеристики усилителя к современным реалиям, разработчики Octave реализовали сразу несколько оригинальных решений, скорректировав режим работы. Настройка трехступенчатого адаптивного усилителя управляет током смещения на основе максимальной амплитуды входного сигнала, чтобы без надобности не держать схему усилителя в режиме высокой мощности.

А когда входной сигнал отсутствует более двух минут, активируется режим Ecomode, который снижает энергопотребление до 35%. Поэтому оставленный без присмотра усилитель не будет без надобности нагревать комнату.

Разработчики боролись за качество звука не меньше, чем за энергоэффективность, поэтому они использовали высокотехнологичные трансформаторы с компенсацией магнитного поля, улучшенные каскады предусилителя, расширяющие воспроизводимый частотный диапазон, а также более совершенные схемы стабилизации. Которые устраняют шум и гул, которые класс A усилители рады продемонстрировать даже при небольших отклонениях от рабочих параметров.

В результате усилитель можно использовать с совершенно разными нагрузками, от акустики с низким импедансом до наушников с высоким импедансом, не опасаясь их повредить или просто выйти из рабочего режима. Электроника слежения автоматически изменяет конфигурацию выходных каскадов.

Читая это, самое время вдохновиться и решить, что абсолютно все проблемы уже решены современными инженерами. Но не торопитесь, ведь нужно смотреть паспортные данные. И здесь вырисовывается очень специфическая картина. Обладая низким уровнем шума и искажений, имея почти два десятка килограммов живого веса и потребляя до 200 Вт от сети, Octave V16 Single Ended выдает не более 8 Вт на канал для акустики с импедансом 4 Ом, при переключении используется самый мощный лампы. Для наушников этого достаточно, но где найти нужные колонки?

Ток покоя

Как упоминалось ранее, в усилителе нет регулирующего резистора для установки тока покоя (Ip). Разработчик удалил этот узел, чтобы упростить схему и повысить повторяемость устройства. Однако для любителей «копнуть поглубже», поменяв резистор R12, можно выставить требуемый ток покоя. При R12 = 750 Ом это 20-30 мА (на моем усилителе 20 мА). Если значение R12 уменьшить до 680, значение тока покоя будет между 70 и 80 мА. С увеличением номинала R12 соответственно уменьшается ток покоя.

Значение Ip контролируется путем измерения падения напряжения на одном из резисторов истока R22 или R24. Выход усилителя должен иметь оконечную нагрузку (например, резистором 4 Ом). После хорошего прогрева усилителя необходимо замкнуть его вход (IN) на общую шину (sGND) и прикоснуться к клеммам резистора R22 или R24 щупами милливольтметра постоянного тока. Полученное значение (у меня 4,5 мА = 0,0045 А) нужно разделить на его сопротивление (0,22 Ом). Ip = 0,0045 A / 0,22 Ом = 0,02 A или 20 мА.

Вы можете измерить падение напряжения на двух резисторах и разделить полученное значение на их полное сопротивление (0,44 Ом).

Плюсы

На первый взгляд схема довольно приятная и имеет ряд неоспоримых достоинств. Во-первых, это простой, лаконичный и отличный пример чрезвычайно короткого аудиотракта. Во-вторых, лампа или транзистор, работающие в классе А, постоянно находятся в рабочем состоянии и мгновенно реагируют на изменения входного сигнала — у них нет временных задержек, возникающих при выходе из полностью закрытого состояния.

В-третьих, центром рабочего диапазона электронного компонента является область, в которой он работает максимально эффективно и без искажений. Это значит, что если не увеличивать амплитуду до предельных значений (особо не крутить ручку громкости и не подключать к усилителю большую нагрузку), то усилитель будет работать исключительно в комфортном режиме и вывод сигнала будет иметь практически идеальный вид.

К сожалению, все эти преимущества без побочных эффектов могут быть реализованы только в слаботочных схемах предусилителя. А когда дело доходит до работы с мощностью, необходимой для взаимодействия с динамиками, класс A демонстрирует свои столь же очевидные недостатки.

Особенности

Понимая, как работает усилитель класса A, мы также можем рассмотреть его с точки зрения аудиофила. Ситуация с искажениями на малых уровнях громкости вполне объяснима: пока амплитуда сигнала невелика, усилитель работает в идеальных условиях и выдает если не абсолютно идеальный сигнал, то что-то максимально близкое. Но возникает вопрос: что происходит, когда мы включаем музыку?

До определенного момента это нормально, но когда пики сигнала приближаются к пороговым значениям (максимальное открытое и закрытое состояние лампы или транзистора), искажения будут значительно расти, как и любой другой усилитель, после чего сжатие будет Увеличение происходит при выходе искажений за все мыслимые пределы нормы.

Кто-то заметит, что любой усилитель может быть перегружен и искажен. Это правда. Но тонкость момента заключается в том, что усилители класса A по определению маломощны, а это значит, что их несложно довести до полной нагрузки. Это именно то, что происходит, когда усилитель, который только что воспроизводил тихую камерную музыку с невероятным уровнем детализации, внезапно превращает самый громкий звук симфонического оркестра в непонятный беспорядок.

Следующая особенность схемотехники касается блока питания. Кстати, это один из важнейших компонентов любого усилителя, потому что энергия, которая поступает в акустику, — это энергия блока питания, модулированная входным сигналом. В простейшей автомобильной терминологии источник питания — это двигатель, а схема усилителя — это рулевое колесо.

Следовательно, низкий КПД усилителя класса A и высокий ток покоя ставят источник питания в довольно тяжелые условия: он должен иметь солидный запас мощности, чтобы, подавая постоянно высокий ток, он был готов мгновенно дать во много раз больше . После резкого увеличения сигнала конденсаторы блока питания должны быть заряжены, то есть забирать дополнительную энергию у трансформатора, что уже постоянно ломает голову над поддержанием высокого тока покоя усилителя.

Не все блоки питания способны справиться с этой задачей без побочных эффектов, поэтому, если звук мощного усилителя класса A кажется вам медленным, быстрая музыка будет размытой, а басы со временем неизменно становятся громкими и тусклыми., Не удивляйтесь и не спешите винить в этом акустику или ее плохое расположение в помещении.

Разновидности усилителей мощности для согласующих трансформаторов

Здесь отображаются следующие устройства:

• Вход. Их задача — согласовать выходное сопротивление источника входного сигнала со следующим каскадом.
• Interstage. Сопоставьте такое же сопротивление, но на предыдущем этапе. В этом случае есть входное сопротивление новой ступени.
• Выходные. Указанное сопротивление нормируемое, но завершающая стадия с сопротивлением его удару.

Входные данные обозначены буквами:

• Т — первый компонент.
• VT — входной сигнал для транзисторных устройств.
• Нумерация разверток.

Пример: ТВТ-1 — входной трансформатор для транзисторного блока с номером проекта 1.

Выходные ПТ обозначаются следующим образом:

• компонент — Т,
• ОТ (клеммная версия для транзисторных устройств)
• порядковый номер разработки.

Пример: ТОТ-4 — выход ТТ для устройств на транзисторах, разработка n. 4.

Межкадровые виды имеют следующие обозначения:

• Т,
• М,
• число — индикатор питания,
• нумерация развития.

Пример — TM15 — 45. Это миниатюрный СТ с водопадами, 15 А. Девелопмент №. 45.

Также существуют шаблоны вывода TOL. Здесь:

• Т — трансформатор,
• О — терминал,
• L — тип трубы.

Они полностью поддерживают заданные параметры в диапазоне от 300 до 10 000 Гц, их рабочие мощности находятся в диапазоне 0,1… 6 В * А. Допустимая неравномерность на частотах среза составляет не более 2 дБ. Максимальный коэффициент искажения — 5%.

Преимущества усилителя с трансформаторной связью

Ниже перечислены преимущества усилителя с трансформаторной связью:

• Обеспечивается отличное согласование импеданса.
• В результате прибыль больше.
• Потери мощности в резисторах коллектора и базы не будет.
• Эффективен в эксплуатации.

Охлаждение

Основная часть тепла рассеивается на корпусах полевых транзисторов VT10 и VT11, поэтому их необходимо устанавливать на радиаторе площадью не менее 1000 см2, или не менее 10 см2 для мощности 1Вт.

между корпусами транзисторов и радиатором необходимо установить диэлектрическую прокладку и диэлектрический ввод в отверстие фланца для крепежного винта (касается корпуса ТО-220.

очень важно, чтобы транзистор VT7 был установлен как можно ближе к VT10 и VT11, так как он отвечает за термостабилизацию и не дает усилителю уйти в тепловой разгон.

также важно использовать теплопроводящую пасту; без него передача тепла от компонентов к радиатору будет затруднена.

Частотная характеристика усилителя с трансформаторной связью

На рисунке ниже показана частотная характеристика усилителя с трансформаторной связью. Коэффициент усиления усилителя постоянен только для небольшого диапазона частот. Выходное напряжение равно току коллектора, умноженному на реактивное сопротивление первичной обмотки.

На низких частотах начинает уменьшаться реактивное сопротивление первичной обмотки, что приводит к уменьшению усиления. На высоких частотах емкость между витками обмоток действует как шунтирующий конденсатор, уменьшая выходное напряжение и тем самым усиливая его.

Следовательно, усиление аудиосигналов не будет пропорциональным, и также будет внесено некоторое искажение, называемое частотным искажением .

Минусы

Основные недостатки класса А, как и достоинства, вытекают из выбранного создателем принципа работы. Нулевой уровень входного сигнала попадает в середину рабочего диапазона электронного компонента, что означает, что когда на входе тишина, транзистор или лампа уже наполовину открыты и работают на половину своей мощности, тратя много энергии впустую холостая энергия. Реальный КПД усилителей класса А значительно ниже теоретических 50%. На акустику поступает не более 20-25% от 100% энергии, потребляемой усилителем, а вся остальная энергия преобразуется в тепло.

Повышение рабочей температуры может отрицательно сказаться на рабочем режиме элемента усилителя, поэтому транзисторные усилители класса А, вырабатывающие хотя бы значительную мощность, имеют огромные радиаторы.

Если вы хотите получить не десятки, а сотни ватт выходной мощности при сохранении режима работы усилителя класса А, устройте комнату большего размера и более мощную вентиляцию для отвода тепла, ведь из-за низкого КПД сам усилитель будет огромных размеров и его питание будет совершенно колоссальным.

За всем этим следует ряд связанных проблем. Прежде чем счастливый обладатель усилителя класса A получит свой первый крупный счет за электроэнергию, ему придется потратить много денег на сам усилитель, потому что большие блоки питания, тяжелые ламповые выходные трансформаторы и огромные радиаторы транзисторных усилителей стоят дорого. Деньги.

В процессе эксплуатации, в результате роста затрат на электроэнергию, аудиофил рано или поздно столкнется с другой проблемой усилителей класса А — повышенным износом элементов активной схемы. Особенно актуальна эта проблема для ламп. Работая в классе А, они постоянно находятся под большой нагрузкой, что сокращает их и без того небольшой срок службы.

Питание

Диапазон напряжения питания усилителя Padik может составлять от ± 20 В до ± 40 В.

Для питания усилителя можно использовать импульсный источник питания (SMPS) или линейный источник питания.

Мощность линейного силового трансформатора должна быть равна выходной мощности усилителя или иметь запас. Трансформатор должен иметь две вторичные обмотки. Напряжение вторичных обмоток выбирается исходя из выходной мощности усилителя, но не более ~ 25 В (на нагрузке).

Когда я проверял усилитель, я использовал трансформатор ТПП-322, используя обмотки ~ 20В и ~ 2,5В, соединяя их последовательно. На холостом ходу у меня на каждой вторичной обмотке было напряжение 26В. После выпрямления диодным мостом KBPC3510 через емкость фильтра я получил напряжение ± 34,7 В. Емкость конденсаторов на каждом плече — 10 000 мкФ.

На нагрузке сопротивлением 4 Ом (сопротивление) при мощности 58 Вт напряжение питания упало до ± 31 В, при дальнейшем увеличении мощности в выходном сигнале появилось клиппирование. В качестве сигнала использовался генератор синусоидальной формы с частотой 1000 Гц.

Напомню, что я использовал MOSFET-транзисторы в корпусе TO-220 и нет смысла увеличивать напряжение питания (до ± 35 на нагрузке), так как при нагрузке больше 50 Вт выходные транзисторы каскада имеют очень значительное потепление. Кроме всего этого, нагрев VT10 и VT11 вызван их неоригинальными копиями.

При напряжении питания ± 35 В (на нагрузке) и использовании транзисторов IRFP240 / IRFP9240 с необходимым охлаждением можно извлечь 90 Вт, как указано в характеристиках автора схемы.

Работа трансформаторного усилителя

Когда сигнал переменного тока подается на базовый вход первого транзистора, он усиливается транзистором и появляется на коллекторе, к которому подключена первичная обмотка трансформатора.

Трансформатор, используемый в качестве соединительного устройства в этой схеме, имеет изменение импеданса, что означает, что низкое сопротивление ступени (или нагрузки) может отражаться как высокое сопротивление нагрузки по сравнению с предыдущей ступенью. Следовательно, напряжение на первичной обмотке передается в соответствии с соотношением витков вторичной обмотки трансформатора.

Эта трансформаторная связь обеспечивает хорошее согласование импедансов между каскадами усилителя. Усилитель с трансформаторной связью обычно используется для усиления мощности.

Недостатки усилителя с трансформаторной связью

Ниже перечислены недостатки усилителя с трансформаторной связью.

• Хотя коэффициент усиления большой, он значительно зависит от частоты. Отсюда и плохая частотная характеристика.
• Скорость искажения выше.
• Трансформеры обычно гудят.
• Трансформаторы громоздкие и дорогие.

Хотя коэффициент усиления большой, он значительно зависит от частоты. Отсюда и плохая частотная характеристика.

Скорость искажения выше.

Трансформеры обычно гудят.

Трансформаторы громоздкие и дорогие.