Здесь представлена принципиальная схема усилителя звука Hi-Fi мощностью 60-100 Вт. Хотя последнее обновление настоятельно рекомендовало новейшие силовые и драйверные транзисторы от компании ON Semiconductor OnSemi, их по-прежнему трудно найти в большинстве стран. В результате силовые транзисторы, которые теперь рекомендуют, это — MJL21193/4, их гораздо проще найти.
Хотя теоретически они не такие уж и хорошие, как последние версии, но все равно они по-прежнему остаются отличными приборами. Крайне сомнительно, что кто-то когда-либо может определить какую-нибудь разницу между тестовыми приборами, то слышимых различий невозможно будет обнаружить.
Принципиальная схема усилителя мощности Hi Fi
То же самое относится и к транзисторам предвыходного каскада. Хотя приборы BD139/140, которые показаны на принципиальной схеме, не считаются «лучшими» доступными аудио транзисторами, они действительно работают очень хорошо и использовались во всех усилителях P3A, которые я построил для себя или в составе системы. Опять же, маловероятно, что будет проведено какое-либо значимое измерение, которое покажет, что эти транзисторы уступают «аудиофильским» компонентам.
В свое время, компания OnSemi выпустила новую линейку транзисторов, разработанных специально для аудио устройств. Эти новые транзисторы были протестированы в P3A и дали отличные характеристики. В результате все предыдущие рекомендации для выходных транзисторов отменяются, и следует использовать новые транзисторы .., если вы можете их достать. Однако, даже спустя несколько лет после выпуска, новые приборы все еще могут быть недоступны.
Показанная здесь принципиальная схема усилителя мощности предлагает в качестве выходных выходных транзисторов устанавливать MJL4281A (NPN) и MJL4302A (PNP). Они обладают высокой пропускной способностью, отличным SOA (безопасная рабочая область), отличной линейностью и большим коэффициентом усиления.
Однако, их стоимость, мягко сказать, несколько завышена. Другой вариант выходного транзистора — NJW3281 (NPN) и NJW1302 (PNP) мощностью 200 Вт. Они более экономичны, но при этом имеют отличные характеристики. Предвыходные транзисторы — MJE15034 (NPN) и MJE15035 (PNP). Все эти устройства рассчитаны как минимум на 250 В, при этом мощность транзисторов составляет 230 Вт, а для драйверов — 50 Вт.
Для бюджетной системы можно построить усилитель, где принципиальная схема включает в себя выходные транзисторы TIP35C (NPN) и TIP36C (PNP). Если вы можете достать «полный комплект» транзисторов в корпусе TO-247, их можно установить под платой так же, как и приборы серии MJL.
Они ограничены рассеянием мощности в 125 Вт (температура корпуса 25°C), но, несмотря на это очевидное ограничение, они все же могут управлять нагрузкой 4 Ом от источников питания ±35 В. Теоретически пиковое рассеивание может быть превышено, так как это чрезвычайно надежные транзисторы, которые легко справляются с неправильной эксплуатацией. Тем не менее, не испытывайте удачу — максимальное напряжение без нагрузки составляет ±35 В!
Обратите внимание, что есть основная причина, по которой P3A отличается от большинства принципиальных схем, которые есть в сети — они использует дополнительные пары обратной связи (также известные как пары Шиклая) для выходного каскада, а ток покоя управляется транзисторами предварительного каскада. Если транзистор смещения установлен на радиаторе, он обеспечит высокую компенсацию и возникнет перекрестное искажение.
Оригинальная принципиальная схема для этого усилителя была первоначально опубликована на одном из сайтов по радиоэлектронике и, хотя базовой конструкции уже много лет, в качестве усилителя он остается «современным» — это исключительно надежный усилитель. Он прост в сборке, использует общедоступные детали, стабилен и надежен. Показанная в этой статье схема, представляет собой полное обновление исходного проекта, и, хотя он имеет много общего, на самом деле это новый УМЗЧ.
В принципе это новый УМ (как и оригинал) основан на принципиальной схеме, которую я разработал несколько лет назад, и их было построено очень много. Большинство из них использовались как небольшие PA или инструментальные усилители, но многие также нашли свое применение в домашних Hi-Fi системах. Аппарат может прекрасно работать на 4 Ом при условии, что напряжение питания поддерживается на уровне не более ±35 В.
Этот аппарат, хотя и очень простой, обладает превосходными характеристиками. Это не тот усилитель, в котором можно сомневаться, поскольку звук у него действительно очень хорош, и это связанно (по крайней мере) с присущей ему простотой конструкции.
УМЗЧ исключительно тихий и достаточно устойчив к тяжелым нагрузкам. Это идеальный усилитель для систем с двойным усилением и может работать в мостовом режиме (BTL), если вы используете рекомендуемые выходные транзисторы (которые имеют необходимые номинальные мощности).
Принципиальная схема этого аппарата имеет преимущество в течение многих лет постоянного использования, и эта версия является лучшей из всех — усовершенствования обеспечивают минимальный шум при включении или выключении, а наличие действительно качественных выходных компонентов, существенно улучшили эффективность и стабильность конструкция.
Я не слышал ничего, кроме похвалы от тех, кто построил этот усилитель — все отзывы, которые я получил, были действительно очень положительными. Учитывая, что конструкция была доступна в течение многих лет без каких-либо изменений (кроме изменений выходных транзисторов из-за проблем приобретения), можно с уверенностью сказать, что она выдержала испытание временем. Он не претендует на звание «лучший», но результаты огромного количества пользователей свидетельствуют о присущей ему надежности и качестве звука.
Фото готовой печатной платы усилителя Revision-C
На фото выше показано, как плата крепится к радиатору и зажимает выходные транзисторы под печатной платой. Это последняя версия печатной платы Revision-C, но общая компоновка не сильно изменилась с годами. Всегда можно было вырезать самую верхнюю часть печатной платы, чтобы выходные транзисторы могли быть установлены вертикально, а плату разрезать пополам, чтобы каждый усилитель мог быть на своем собственном радиаторе или даже в отдельном корпусе. Вы можете заметить, что на фото показаны эмиттерные резисторы 0,22 Ом, а на схеме — 0,33 Ом. Рекомендуется более высокое значение, поскольку оно улучшает стабильность смещения.
Для тех, кто хочет создать усилитель мощности класса A, то должны знать, он практически идентичен конструкции, показанной здесь, но требует гораздо более надежного источника питания, чтобы выдерживать высокий ток покоя. Хотя большинство людей, кажется, думают, что Class-A «лучше», чем Class-AB, на самом деле это не так. АВ конструкция имеет производительность, которая на самом деле не лучше, чем у класса A, но имеет гораздо меньшую мощность и выделяет гораздо больше тепла.
Принципиальная схема усилителя Hi Fi — как она работает
Обратите внимание, что, как и в оригинале, (все еще) нет защиты от короткого замыкания на выходе, поэтому, если провода динамика закорочены во время работы усилителя с нагрузкой, существует реальный риск разрушения транзисторов. Я предлагаю и рекомендую использовать разъемы Speakon как на усилителе, так и в цепи динамика.
Технические характеристики очень похожи на характеристики оригинального проекта, но использование гасителя тока во входном каскаде дифференциальной пары означает, что при включении или выключении практически не слышно щелчков.
Я также добавил возможность регулировать ток покоя, и с указанными транзисторами усилитель будет обеспечивать 100 Вт на 8 Ом при максимальном напряжении питания ±42 В. Это питание легко получить от трансформатора 30–0–30 В. Учтите, что увеличение напряжения питания с 35 В до 42 В представляет собой увеличение выходной мощности всего примерно на 1,6 дБ, но вероятность повреждения выходного транзистора почти удваивается. мое мнение, оно того не стоит.
Принципиальная схема усилителя
Как видно, это не сложный УМЗЧ, но производительность отличная. При использовании с нагрузкой 4 Ом (включая перемычку на нагрузку 8 Ом) не превышайте ±35 В (от трансформатора 25–0–25 В). Для большинства устройств достаточно более низкого напряжения, а надежность аппарата гарантирована практически при любой нагрузке. В мостовом режиме этот усилитель без проблем выдает 200 Вт на сопротивлении динамиков 8 Ом, и будет надежно работать даже при постоянных высоких уровнях мощности.
Никогда не пытайтесь использовать усилитель в мостовом режиме на 4 Ом, так как это эквивалентная нагрузка для каждого усилителя на 2 Ом. Усилитель не предназначен для этого и выйдет из строя. Питания ±42 В — это абсолютное максимальное напряжение, и его следует использовать только там, где никогда не будут применяться нагрузки 4 Ом.
D1 — зеленый светодиод, он должен быть стандартного типа. Не используйте светодиоды высокой яркости и не меняйте цвет. Это не для внешнего вида (хотя зеленый светодиод выглядит на плате довольно аккуратно), а для падения напряжения — у разных цветных светодиодов падение напряжения немного разное. Цель состоит в том, чтобы напряжение на светодиодах составляло около 1,9–2 В.
Это может показаться низким для типичных зеленых светодиодов, поскольку они обычно рассчитаны на 2-2,2 В (хотя некоторые из них намного выше и не могут использоваться). Тем не менее, светодиод с номинальным значением 2,2 В будет иметь правильное напряжение, которое гасится на R8 с питания ±35 В при низком токе — всего 1,6 мА.
Подстроечный резистор VR1 используется для установки тока покоя, обычно он составляет около 50-100 мА. Усилитель будет нормально работать при более низком токе, но искажения начинают быть заметными (на измерителе искажений, отслеживаемом осциллографом) при менее чем примерно 20 мА (рекомендуемый минимальный ток покоя).
Драйвер класса A (Q4) имеет постоянную нагрузку по току благодаря схеме начальной загрузки R9, R10 и C5. Стабильность определяется конденсатором C4, и значение этого ограничения не должно уменьшаться. С быстрыми выходными транзисторами, такими, какие указанны в принципиальной схеме, ширина полосы пропускания превышает 30 кГц.
При использовании предлагаемых и рекомендуемых источников питания 35 В Q4 и выходные драйверы (Q5 и Q6) обычно не требуют радиатора. При нагрузке 4 Ом может потребоваться радиатор для Q5 и Q6, но мой опыт показывает, что эти транзисторы не должны нагреваться в рабочих условий эксплуатации.
При использовании усилителя при напряжении ±42 В для Q4 следует использовать небольшой радиатор, так как рассеивание будет немного выше, и прибор будет сильно нагреваться.
Хотя я показал выходные транзисторы MJL4281A и MJL4302A, они есть в продаже уже давно, тем не менее их все еще трудно достать. Рекомендуемые альтернативы — MJL21193 и MJL21194 или NJW3281 (NPN) и NJW1302 (PNP).
Примечание: больше нельзя рекомендовать какие-либо транзисторы Toshiba, поскольку они являются наиболее часто подделываемыми компонентами из всех существующих. 2SA1302 и 2SC3281 сейчас устарели, и если такие вам попадутся, знайте — они почти наверняка являются поддельными, поскольку Toshiba не производила эти приборы примерно с 1999 ~ 2000 годов.
Перед подачей питания убедитесь, что подстроечник VR1 настроен на максимальное сопротивление, чтобы получить минимальный ток покоя. Это очень важно, поскольку при установке минимального сопротивления ток покоя действительно будет очень высоким (достаточным, чтобы вывести из строя выходные транзисторы!).
Создание конструкции
Обратите внимание, что компоновка любого усилителя мощности очень важна, и были предприняты большие усилия, чтобы минимизировать проблемные области — поэтому, когда вы будете изготавливать свою собственную печатную плату, старайтесь все дорожки делать как можно короче, чтобы все соответствовало опубликованным спецификациям.
Все резисторы должны быть металлапленочные 1/4W или 1/2W 1% для наименьшего шума, за исключением R9, R10 и R15, которые должны быть типа 1/2W, а R13, R14 необходимо устанавливать проволочные, мощностью 5W.
Конденсатор начальной загрузки (C5) должен быть рассчитан как минимум на 25 В (предпочтительно 35 В), другие электролиты могут иметь любое доступное напряжение. Подстроечный резистор (VR1) в идеале должен быть многооборотным, но можно использовать и обычный однооборотный подстроечник (но не рекомендуется). Установить ток будет немного сложнее с таким резистором, и они не так надежны.
Радиаторы охлаждения можно подобрать используя данную формулу: 0,5°C/Вт, этого будет вполне достаточно для нормального использования усилителя Hi-Fi, если ток покоя поддерживается на рекомендованном минимальном уровне 20 мА. Вы, вероятно, сможете обойтись меньшим радиатором, если напряжение питания уменьшить до ±30 В, но вы должны спросить себя, надо ли это вам.
Для более высокого тока покоя или если вы планируете поднять мощность усилителя, используйте радиатор большего размера, также, подумайте об использовании вентилятора. Помните — не бывает слишком большого радиатора.
Основные характеристики
Ниже показаны основные результаты измерений.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Усиление | 27 дБ |
| Входное сопротивление | 24k |
| Входная чувствительность | 1,22 В для 100 Вт (8 Ом) |
| Частотная характеристика 1 | От 10 Гц до 30 кГц (-1 дБ) типично |
| Искажение (THD) | 0,04% типично при мощности от 1 Вт до 80 Вт |
| Питание (источники питания 42 В, нагрузка 8 Ом) 2 | 90 Вт |
| Питание (источники питания 35 В, нагрузка 8 Ом) 3 | 60 Вт |
| Питание (источники питания 35 В, нагрузка 4 Ом) | 100 Вт |
| Гул и шум 4 | -73 дБВ невзвешенный |
| Смещение постоянного тока | <100 мВ |
Примечания
- Частотная характеристика зависит от номинала входных конденсаторов и конденсаторов обратной связи, и вышеизложенное является типичным для случая использования указанных значений. Высокочастотная характеристика фиксируется C4, и это не должно изменяться.
- Работа с нагрузкой 4 Ом не рекомендуется с источниками питания 42 В. Пиковое рассеивание будет превышать 110 Вт на каждом выходном транзисторе, что не оставляет запаса мощности при нормальных индуктивных нагрузках. Все напряжения питания являются номинальными без нагрузки — ваш трансформатор может не поддерживать регулирование, поэтому мощность может быть немного меньше указанной.
- Это типичное значение, которое зависит от регулирования источника питания (как 1 и 2 выше). В худшем случае мощность при нагрузке 8 Ом составляет около 50 Вт, но если мощность упадет так далеко, то источника питания будет недостаточно.
- Это крайне пессимистичный тест, потому что полоса пропускания расширяется значительно выше и ниже всего, что слышно. Чувствительность моего измерителя находится в диапазоне от 3 Гц до более 100 кГц, поэтому измеренный шум намного больше, чем в случае любой взвешенной сети.
Четыре из этих усилителей в двухконтурном расположении дадут вам потрясающее звуковое давление (SPL), и это похоже на установку, которое я использую. В сочетании с кроссовером Linkwitz-Riley, усилители могут быть установлены в задней части корпуса динамиков, поэтому для полной системы требуются только сигнал и мощность, следовательно, большинство коммерческих предложений останутся без внимания.
Включение
Перед подачей питания убедитесь, что плата усилителя установлена на радиаторе. Работа без радиатора возможна, но только в том случае, если вы точно знаете, что делаете, запускаете усилитель при более низком, чем обычно, напряжении питания, поддерживаете нулевой ток покоя и не подключаете нагрузку. Любая попытка «нормально» запустить усилитель без радиатора может привести к почти мгновенному отказу выходных транзисторов, а в некоторых случаях также и транзисторов драйвера.
Если у вас нет настольного источника питания с двумя выходами, перед первым включением питания временно установите «предохранительные» проволочные резисторы 22 Ом 5 Вт, вместо предохранителей. Не подключайте нагрузку в это время! При подаче питания (обычно ±35 В) убедитесь, что напряжение постоянного тока на выходе меньше 1 В, и измерьте каждую шину питания.
Они могут немного отличаться, но оба должны быть не менее примерно 20 В. Если сильно отличается от указанного выше, проверьте все транзисторы на предмет нагрева — если какое-либо устройство горячее, немедленно отключите питание, а затем исправьте проблему.
Если у вас есть подходящие стенды, первоначальный тест будет намного проще! Медленно увеличивайте напряжение до ±20 В, наблюдая за током питания. Если ток внезапно начинает быстро расти, а напряжение перестает расти, значит, что-то не так, в противном случае продолжайте тестирование.
Примечание: по мере увеличения напряжения питания выходное напряжение будет уменьшаться — примерно до -2 В, а затем быстро вернется примерно к 0 В. Это нормально.
Когда все станет хорошо, подключите в нагрузку динамик и источник сигнала (все еще с установленными защитными резисторами) и убедитесь, что издаются естественные шумы (например, музыка или тон). Держите громкость на низком уровне, иначе усилитель будет сильно искажать. Резисторы пусть останутся на месте, если вы попытаетесь получить от усилителя слишком большую мощность.
Если УМЗЧ прошел эти испытания, снимите защитные резисторы и установите предохранители на место. Отключите нагрузку динамика и снова включите усилитель. Убедитесь, что напряжение постоянного тока на клемме динамика не превышает 100 мВ, и выполните еще одно «тепловое испытание» для всех транзисторов и резисторов.
Когда вы убедитесь, что все в порядке, установите ток смещения. Подключите мультиметр между коллекторами Q7 и Q8 — тем самым вы измерите падение напряжения на двух резисторах 0,33 Ом. Наиболее желательный ток покоя составляет 75 мА, поэтому измеряемое напряжение на резисторах должно быть установлено на 50 мВ ± 5 мВ.
Настройка не слишком критична, но при меньших токах на выходных транзисторах будет меньше рассеивание. Ток составляет примерно 1,5 мА/мВ, поэтому 50 мВ будут соответствовать току покоя 75 мА.
После установки тока дайте усилителю прогреться и отрегулируйте смещение, когда температура стабилизируется. Возможно, потребуется перепроверить пару раз, так как температура и ток покоя немного зависят друг от друга. Когда вы будете довольны настройкой смещения, нанесите немного лака для ногтей на регулировочный винт подстроечника.
ВНИМАНИЕ: Если температура продолжает расти, радиатор слишком мал. Малая площадь рассеивания тепла приведет (а не может — приведет) к поломки усилителя. Прежде чем продолжить, отключите питание и установите радиатор большего размера. Также обратите внимание, что, хотя силовые транзисторы смонтированы на плате, никогда не используйте усилитель без радиатора — даже для тестирования, даже на короткий период. Выходные транзисторы перегреются и выйдут из строя.
Когда все тесты будут завершены, выключите питание и снова подключите динамик и источник музыки.
Принципиальная схема — Источник питания
Прежде чем описывать блок питания, я должен оформить это …
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Электропроводка должна выполняться с использованием силового кабеля, который должен быть отделен от остальных цепей постоянного тока и сигнального тракта. Все наконечники проводов должны быть защищены термоусадочными трубками для предотвращения случайного контакта. Не пытайтесь подключать питание без соответствующей квалификации. Неисправная или неправильная цепь высокого напряжения может привести к серьезным травмам.
Здесь показана принципиальная схема простого источника питания с трансформатором 25-0-25 даст пиковую мощность около 75 Вт на 8 Ом или около 60 Вт при непрерывной нагрузке. На это влияет множество факторов, таких как регулировка напряжения трансформатора, величина емкости выпрямителя и т. д.
Для двух канального усилителей будет достаточно трансформатора на 300 ВА. Показанные конденсаторы емкостью 4700 мкФ следует рассматривать как минимум, я предлагаю вам использовать два параллельно соединенных конденсатора для каждого плеча (в сумме 9400 мкФ). Не стесняйтесь увеличивать емкость, но все, что выше 15 000 мкФ или около того, обрушит на вас закон убывающей отдачи. Прирост производительности просто не стоит дополнительных вложений.
Рекомендуемый источник питания
Для стандартного источника питания, как указано выше, я предлагаю трансформатор на 300 ВА. В странах с напряжением 220/240 В используйте предохранитель на 3 А или номинал, рекомендованный производителем трансформатора. Для стран с напряжением 115 В предохранитель должен быть либо на 6 А, либо в соответствии с рекомендациями производителя, и во всех случаях требуется плавкий предохранитель с задержкой срабатывания, предохраняющая от высокого пускового тока трансформатора и выпрямителя.
Если вы используете емкость, превышающую рекомендованную, возможно, потребуется немного увеличить номинал предохранителя. C3 — это сетевой конденсатор с номиналом X2. При его установке параллельно вторичной обмотке трансформатора он снижает радиочастотные помехи (кондуктивные излучения) переводя их на полезную величину. Это не обязательно, но рекомендуется.
Можно ожидать, что напряжение питания будет выше указанного при холостом ходе и ниже при полной нагрузке. Это совершенно нормально и связано с регулировкой трансформатора. В большинстве случаев невозможно получить определенную мощность, если трансформатор не имеет соответствующих номинальных напряжений.
Мостовой выпрямитель должен быть типа 35 А, а конденсаторы фильтра должны быть рассчитаны минимум на 50 В для источников питания ±35 В. Силовые провода должны быть достаточного сечения, соответствующее рабочему току. Так, что эта принципиальная схема, я думаю будет под силу повторить любому радиолюбителю.