Схемы УМЗЧ на транзисторах: Секреты надежности усилителей


Схемы УМЗЧ на транзисторах-01

Увеличение надежности схемы УМЗЧ на транзисторах

Схемы УМЗЧ на транзисторах: секреты надежности усилителей, принципы самостоятельной сборки усилителей мощности, правильные расчеты схемы УМЗЧ на транзисторах.

В данной статье представлены общие рекомендации по самостоятельной сборке усилителей мощности звука. Все показанные расчеты несколько упрощены в сторону запаса не более, чем на 15%.

Выбор драйверного каскада для усилителя мощности.

Драйверным каскадом называют каскад который непосредственно работает на управление оконечного каскада, как правило это первый каскад после усилителя напряжения, обычно эмиттерный повторитель, но при использовании каскодных выходных каскадов может быть включен и по схеме с общим эмиттером.

Основная задача драйверного каскада заключается в разгрузке усилителя напряжения и позволяет развить необходимые токи управления базами мощных выходных транзисторов. Рассмотрим что именно происходит в единичный момент времени в усилителе, для наглядности возьмем довольно популярный усилитель мощности ЛАНЗАР. Схема печатной платы усилителя Ланзар.

Для того, чтобы понять все процессы происходящие в усилителе переделаем его под усилитель постоянного напряжения и это позволит контролировать ВСЕ что происходит в усилителе на протяжении одной полу-волны синусоидального сигнала. В результате переделок получилась схема, показанная на рисунке 1.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-1
Рисунок 1 Принципиальная схема усилителя постоянного напряжения на базе усилителя ЛАНЗАР.

В качестве нагрузки используется постоянное сопротивление величиной 6 Ом. По мере экспериментов оно будет меняться в ту или иную сторону. Питание усилителя возьмем ±60 В.

Итак, для начала установим необходимый ток покоя и проверим в каких точках какие напряжения.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-2
Рисунок 2 Карта напряжений

Схемы УМЗЧ на транзисторах-3
Рисунок 3 Карта протекающих токов

Схемы УМЗЧ на транзисторах-4
Рисунок 4 Карта рассеиваемых мощностей

Как видно из рисунка на транзисторах последнего каскада усилителя напряжения Q5 и Q6 выделяется порядка 1 Вт, следовательно этим транзисторам уже необходим теплоотвод. На предпоследнем каскаде (драйверах Q8 и Q9) даже в режиме молчания выделяется порядка 2 Вт, тут уже однозначно требуется радиатор.

Радиатор охлаждения

Ну а для оконечного каскада радиатор уже просто обязателен, хотя в режиме молчания или без нагрузки размеры корпуса транзистора позволяют рассеивать выделяемое тепло. Тут же следует отметить, что в качестве оконечного каскада используется две пары транзисторов, включенных параллельно для увеличения выходной мощности усилителя, поскольку одна пара не в состоянии справится, но об этом несколько позже.

Поскольку переменное напряжение представляет из себя меняющее полярность постоянное, то рассмотрим происходящие процессы на примере одной положительной полуволны с контрольными точками 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 В (величина входного сигнала, рисунок 5).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-5
Рисунок 5 В качестве примера возьмем положительную полуволну входного сигнала с амплитудой 2,5 В

По мере роста входного сигнала к нагрузке прилагается все большее напряжение, следовательно увеличивается протекающий ток и через нагрузку и через оконечные транзисторы. Поскольку мы используем биполярные транзисторы, то ток коллектора на прямую зависит от тока базы, следовательно чем больший ток требуется пропустить через оконечный транзистор, тем больший ток требуется приложить к его базе.

Этим собственно и занимается драйверный каскад усилителя. Как видно из рисунка 6 по мере роста амплитуды входного сигнала протекающий ток через оконечные транзисторы увеличивается, увеличивается и ток, протекающий через транзисторы предпоследнего каскада, а вот мгновенно рассеиваемая мощность сначала увеличивается, а потом уменьшается.

Тут, пожалуй, следует пояснить почему мощность увеличивается, а затем уменьшается, хотя казалось бы она должна не уклонно расти. Дело в том, что выделяемая на элементе мощность зависит от протекающего через элемент тока и падения напряжения на нем. Да, да это школьный курс физики, тот самый закон Ома.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-6
Рисунок 6 Изменение токов и рассеиваемых мощностей в зависимости о величины входного сигнала

Схемы для наглядности

Для большей ясности рассмотрим простенькую схемку, состоящую из источника питания, сопротивления нагрузки и транзистора, через который собственно и подается напряжение на нагрузку. Однако в данном случае транзистор будет выполнять роль переменного резистора в качестве движка которого можно подразумевать ток, протекающий через его базу. Для большей наглядности заменим транзистор резистором R1, сопротивление которого мы и будем менять (рис 7).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-7
Рисунок 7 Принципиальная схема поясняющая рассеиваемые мощности

На рисунке 7 сопротивление регулируемого элемента (R1) равно 1000 кОм, ну что то типа утечки. В этом случае через нагрузку протекают микро токи и на регулирующем элементе рассеиваются микро ватты. Но стоит уменьшить сопротивление регулирующего элемента до такой степени, чтобы приложить к нагрузке 0,5 В как картина начинает меняться — рисунок 8. Поскольку к нагрузке прилагается 0,5 В, а напряжение питания составляет 10 В, то на регулирующем элементе падение будет составлять 9,5 В, что собственно и показывает подключенный к выводам регулирующего элемента вольтметр.

Ток через нагрузку и регулирующий элемент будет составлять 50 мА, т.е. 0,05 А. В этом случае, для вычисления выделяемой регулирующим элементом мощности, следует протекающий через него ток (0,05 А) умножить на приложенное к его выводам напряжение (9,5 В). В результате мы получаем, что выделяемая регулирующим элементом будет рассеиваться 0,475 Вт (475 мВт, как показывает симулятор).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-8
Рисунок 8

Далее приложим к нагрузке 1 В. На регулирующем элементе остается 9 В, а протекающий ток составит 0,1 А (рис 9). Выделяемая мощность на регулирующем элементе составит 9 В х 0,1 А = 0,9 Вт (900мВт согласно симулятору). Пока все верно: увеличивается протекающий ток — увеличивается рассеиваемая мощность.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-9
Рисунок 9

Далее приложим к нагрузке 2 В. Падение на регулирующем элементе 8 В, протекающий ток составляет 0,2 А, рассеиваемая мощность 8 В х 0,2 А = 1,6 Вт. (рис 10)

Схемы УМЗЧ на транзисторах-10
Рисунок 10

Казалось бы, что дальнейшие вычисления не имеют смысла — с увеличением протекающего тока увеличивается и рассеиваемая регулирующим элементом мощность. Да, все верно, но лишь до тех пор, пока АКТИВНОЕ сопротивление регулирующего элемента не станет равным сопротивлению нагрузки. В этом случае к нагрузке будет приложено 5 В, протекающий ток составит 0,5 А, на регулирующем элементе и на нагрузке будет рассеиваться по 2,5 Вт (рис 11).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-11
Рисунок 11

Теперь активное сопротивление регулирующего элемента меньше сопротивления нагрузки, приложенное к его выводам напряжение равно 4 В, протекающий ток равен 0,6 А, следовательно рассеиваемая мощность равна 4 В х 0,6 А = 2,4 Вт, т.е рассеиваемая мощность начинает уменьшаться, не смотря на то, что протекающий через регулирующий элемент ток продолжает увеличиваться (рис 12).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-12
Рисунок 12

Для очистки совести откроем даташник на популярные в звукотехнике транзисторы 2SA1943 и 2SC5200 и посмотрим величину напряжения коллектор-эмиттер в открытом состоянии. Для 2SC5200 эта величина составляет 0,4 В, для 2SA1943 — 1,5 В. Поскольку последняя величина больше, то ее и попробуем — уменьшим величину активного сопротивления регулирующего элемента до получения падения на нем 1,5 В (рис 13).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-13
Рисунок 13

Из всего выше сказанного следует, что рассеиваемая мощность на регулирующем элементе связана не только с протекающим через нее током, падением напряжения, но и с сопротивлением нагрузки и максимальное тепловыделение происходит в тот момент, когда активное сопротивление регулирующего элемента равно сопротивлению нагрузки.

Снова к усилителю

Ну теперь вернемся к усилителю постоянного напряжения, к рисунку 6. Как видно максимальный ток через транзисторы драйвера и оконечные транзисторы протекает как раз в момент когда входное напряжение составляет 2,5 В при нагрузке 3 Ома. Следовательно транзисторы драйвера должен быть рассчитан на ток не менее 310 мА, а транзисторы оконечного каскада на ток не менее 8,8 А.

Однако не стоит забывать, что реальный усилитель мощности работает на динамическую головку, которая к активному сопротивлению имеет отношение лишь до тех пор, пока диффузор не подвижен. Как только диффузор головки начинает двигаться динамическая головка перестает быть активной нагрузкой, поскольку начинают сказываться и индуктивность катушки и наводимый в этой катушке ток, когда диффузор по инерции продолжает движение. Самый примитивный эквивалент динамической головки представлен на рисунке 14.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-14
Рисунок 14 Эквивалент динамической головки.

Как видно в эквиваленте присутствуют и индуктивность и конденсатор, следовательно в моменты, когда диффузор головки разогнан до максимальной скорости происходит смена полярности выходного сигнала мгновенное значение активного сопротивления нагрузки может уменьшиться — в эквиваленте это будет емкость заряженного конденсатора и само индукция дросселя, причем ОЧЕНЬ сильно, и это только в случае когад акустическая система использует один широкополосный динамик, если же используется многополосная АС то активное сопротивление может уменьшится вплоть до 50% в определенные моменты времени.

Ну а поскольку активное сопротивление уменьшилось, то увеличиваются токи через оконечные транзисторы, естественно увеличивая токи своих баз. Поэтому в данном случае буде целесообразно использовать в качестве драйверов транзисторы с максимальным током коллектора уже не на 310 мА, а на 50% больше, т.е. на 460-500 мА, ну а если уж обращаться к реальным транзисторам, то это будут транзисторы с током коллектора на 1А. Ток коллектора оконечного каскада приобретает величину уже в 13 А, ближайшая стандартная величина 15 А.

Почему не удваивается мощность? Да потому что токи имеют мгновенное значение, а рассеиваемая мощность гораздо более инерционная и получившихся 135 Вт будут вполне достаточно кристалл транзистора не успеет нагреться до критической температуры.

Когда уровень входного напряжения достиг величины 2,5 В (рис 15). В этом случае на выходе усилителя получается максимально возможное напряжение, поскольку Q5 уже вошел в режим насыщения и дальнейшее увеличение входного напряжения не приведет к росту выходного. Если бы это было в усилителе мощности звукового сигнала, то эта ситуация как раз и называется клиппингом.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-15
Рисунок 15 Карта напряжений при входном напряжении 2,5 В.

На что здесь стоит обратить внимание?

Прежде всего на прилагаемые напряжения к транзисторам, отвечающим на усиление отрицательной полу волны. Как видно из карты напряжений в момент, когда на выходе максимально возможное положительное напряжение к транзисторам отрицательной полу волны звукового сигнала прилагается отрицательная полярность источника питания и напряжение подаваемое с открытых транзисторов транзисторов положительной полу волны.

Следовательно транзисторы последнего каскада усилителя напряжения Q5, Q6, транзисторы драйверного каскада Q8, Q9 и транзисторы оконечного каскада Q10-Q13 должны быть рассчитаны на напряжение ни как не меньше 120 В и это только критический минимум, поскольку даже не большое увеличение сетевого напряжения и использовании не стабилизированного источника питания заставит транзисторы работать на технологическом запасе, что сводит схему к схемам пониженной надежности.

Поскольку электросети обещают напряжение в сети 220 В ±7%, а в реальности отклонения могут достигать и 10-15%, вот 15% и следует добавить с минимальному значению напряжения используемых транзисторов, т.е. используемые транзисторы должны быть рассчитаны на 138-140 В.

Открываем даташиты на транзисторы 2SA1943 и 2SC5200, которые используются в оконечном каскаде усилителя ЛАНЗАР и смотрим следующие величины:

  • Максимальный ток коллектор-эмиттер . . . . . . . . . . .15 А
  • Максимальное напряжение коллетор-эмиттер . . . 230 В
  • Тепловая мощность коллектора . . . . . . . . . . . . . . . 150 Вт

Правда там оговорка имеется — тепловая мощность при температуре 25°С и рекомендуемая мощность всего 100 Вт с одного транзистора, но как показывает при хороших теплоотводах в качестве номинальных можно использовать максимальные значения, но об этом немного ниже. В данной же схеме эти транзисторы вполне уместны, имеют довольно приличный запас по току и напряжению, а учитывая довольно большой технологический запас ТОШИБОВСКИХ изделий, в этом усилителе их убить будет довольно сложно.

Открываем даташиты на используемые в качестве драйверного каскада 2SA1930 и 2SC5171

  • Максимальный ток коллектор-эмиттер . . . . . . . . . . . 2 А
  • Максимальное напряжение коллетор-эмиттер . . . 180 В
  • Тепловая мощность коллектора . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Вт

Опять же по всем параметрам заложен довольно приличный запас, причем в качестве драйверного могут вполне справиться и более слабые транзисторы 2SA1837 и 2SC4793 током коллектора в 1А и максимальным напряжением 230 В. Так же подойдут транзисторы на 1,5 А 160 В 2SB649A и 2SD669A.

Более подробно о параметрах рекомендуемых для усилителя строения транзисторах можно узнать в справочном листке.

В качестве Q7 можно использовать практически любой транзистор, поскольку протекающий через него ток равен 16 мА, а прилагаемое напряжение не превышает 2-3 В во всех режимах работы. Используемые для этого в ЛАНЗАРЕ BD135 выбраны из за удобства крепления к радиатору и имеющие несколько большую зависимость тока коллектора от температуры, т.е. они гарантировано справятся с возлагаемыми на них функциями.

Выходные транзисторы

В качестве оконечных транзисторов используется 2 пары соединенных параллельно транзистора. Это обстоятельство вносит дополнительные задачи при выборе элементной базы. Прежде всего транзисторы, которые соединены параллельно должны иметь довольно близкие параметры и только в этом случае нагрузка на них будет распределена равномерно и перегрузки одного из транзисторов не произойдет.

Если транзисторы покупаются в разных местах или в разное время, то тут без подбора транзисторов уже не обойтись, еси же покупаются в одном месте и все сразу, то следует обратить внимание на номер партии покупаемых транзисторов — у транзисторов одной структуры номер партии должен быть одинаковым. В этом случае завод-изготовитель гарантирует разброс параметров не более 2%, что вполне достаточно для использования в усилителях с параллельным включением транзисторов.

Номер партии пишется немного ниже и правей наименования транзистора. Так же следует обратить внимание на маркировку — маркировка краской ни фирменных транзисторах не делается уже достаточно давно — все надписи выполнены лазером.

Учитывая популярность своих изделий фирма ТОШИБА начала выпускать транзисторы и n-p-n и p-n-p структур одной партией, т.е. даже в транзисторах разной структуры параметры будут максимально приближены. Вот правда в продаже такие пары встречаются пока не часто (рис 16).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-16
Рисунок 16 Транзисторы расной структуры, но одной партии

Если же нет возможности купить транзисторы одной партии, то тут возникает довльно патовая ситуация с одной стороны нужны транзисторы с максимально похожими характеристиками, с другой — цифровой мультиметр с измерителем h21 для этих целей не подходит, поскольку его измерения производятся в режиме микротоков, а мощные транзисторы в этих режимах имеют коф усиления больше 1000…

Для подбора силовых транзисторов потребуется более серьезное оборудование или два мультиметра — рисунок 17

Схемы УМЗЧ на транзисторах-17
Рисунок 17 Стенд для отбраковки силовых транзисторов

Для произведения отбраковки следует взять любой транзистор из отбраковываемой партии и переменным резистором выставить ток коллектора равным 0,4…0,6 А для транзисторов предпоследнего каскада и 1…1,3 А для транзисторов оконечного каскада. Ну а далее все просто — к клеммам подключаются транзисторы и по показаниям амперметра, включенного в коллектор выбираются транзисторы с одинаковыми показаниями, не забывая поглядывать на показания амперметра в базовой цепи — они тоже должны быть похожими.

Разброс в 5% вполне приемлем, для стрелочных индикаторов на шкале можно сделать метки «зеленого коридора» во время градуировки. Следует заметить, что подобные токи вызывают не плохой нагрев кристалла транзистора, а учитывая то, что он без теплоотвода длительность замеров не следует растягивать во времени — кнопку SB1 удерживать в нажатом состоянии более чем 1…1,5 сек не следует. Подобная отбраковка прежде всего позволит отобрать транзисторы с реально похожим коэффициент усиления.

Так же следует учитывать, что как бы вы не старались одинаковых транзисторов с теми, что у вас есть вы все равно не найдете, поэтому выбрав максимально похожие имеет смысл увеличить токовыравнивающие резисторы R24-R27 до 1 Ома. Разумеется вы потеряете в КПД, но выиграете по более равномерно распределенной мощности на каждый транзистор.

Резюмируя все выше сказанное можно сделать вывод:

Для данного усилителя мощности для предпоследнего каскада необходимы транзисторы с током коллектора не менее 1 А и напряжением коллектор-эмиттер не менее напряжения между плюсом и минусом двуполярного источника + 10-15% от этого значения. Для оконечного каскада требуется транзистор с током коллектора не менее 25 А или два включенных параллельно транзистора с током коллектора не менее 13 А.

Напряжение коллектор-эмиттер у транзисторов оконечного каскада должно быть такое же как и у транзисторов драйверного каскада. При соединении транзисторов параллельно необходимы транзисторы с идентичными параметрами, особенно по h21 (коф усиления), которое необходимо мереть при токах превышающих 0,1 А, либо использовать транзисторы одной партии. Мощность коллекторов соединенных параллельно транзисторов оконечного каскада должна быть не менее расчетной мощности усилителя при условии хорошего охлаждения кристалла транзистора, которое зависит от типа корпуса.

Последними строчками «О ТРАНЗИСТОРАХ» пожалуй стоит прописать, что с корпусов типа ТО-220 (IRF640-IRF9640) не рекомендуется «брать» более 60-70 Вт с одной пары, с корпусов типа ТО-247 (IRFP240-IRFP9240) не рекомендуется «брать» более 100-110 Вт с одной пары, с корпусов TO-3PBL (TO-264) (2SA1943-2SC5200) не рекомендуется брать более 140-150 Вт с одной пары, с корпусов ТО-204АА (MJ15022-MJ15023) не рекомендуется «брать» более 170-180 Вт с одной пары для широкополосных усилителей. Для сабвуферов приведенные значения могут быть увеличены примерно на 15-20%.

Источник: umz.htm