Схема мощного усилителя звука

В стать представлена обновленная простая схема усилителя, и в тоже время обладающего очень большой мощностью, которая составляет на выходе 1000 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом, в зависимости от напряжения питания.

Особенность этого усилителя в том, что он прост и удобен в сборке. Он обеспечивает высокую мощность при относительно низком питающем напряжении благодаря мостовому соединению выходного каскада. Динамик видит напряжение, вдвое превышающее напряжение обычного усилителя. Давайте разберемся в этом. Ниже показана обновленная принципиальная схема.

Обновленная принципиальная схема

Простая схема усилителя от 500 Вт до 1000 Вт

Мощность усилителя зависит в основном от напряжения и мощности используемого трансформатора и ни от чего другого! Конденсаторы фильтра (например, 10000 мкФ 80 В) оказывают незначительное влияние на выходную мощность.

Мощность усилителя, трансформаторы и транзисторы

Что касается силовых транзисторов, они подключены параллельно, чтобы разделять рассеиваемую мощность. Если вы выберете более мощные транзисторы (которые могут рассеивать больше энергии в виде тепла в радиаторе) или поставите большее их количество параллельно, вы не увеличите мощность усилителя. Однако это повышает надежность, поскольку каждый транзистор будет находиться дальше от своего температурного предела. Это, что касается рассеивания температурной составляющей, а в основном это очень простая схема усилителя.

Печатная схема усилителя — размеры 16,7 х 7,0 см:

Оригинальная схема простого усилителя

Когда вы увеличиваете количество транзисторов, то через каждый из них протекает меньший ток, и его остаточное напряжение (Vce sat) при насыщении усилителя немного ниже. Поэтому напряжение, которое можно получить, будет несколько выше. Вот кривая выходного напряжения, когда на вход подается синус и усилитель насыщается (звук слишком громкий):

На диаграмме, усилитель выдает насыщенный сигнал

Видно, что предельное напряжения ограничивает напряжение питания. Усилитель не может генерировать мгновенное напряжение, превышающее его собственное значение: оно на данный момент — «максимальное». В действительности усилитель всегда достигает насыщения на 2 или 3 В раньше напряжением питания из-за падений напряжения на силовых транзисторах и эмиттерных резисторах.

Резюмируя: мощность усилителя — это его трансформатор.

Выбор силового трансформатора

Мощность и выходное напряжение трансформатора всегда связаны между собой. Нет необходимости иметь трансформатор 2 x 24 В с мощностью 1000 ВА, который предполагается установить в усилителе рассчитанного на 50 Вт. При использовании только 2 x 40 Вт среднеквадратичного значения (таким образом, потребляется около 120 Вт с учетом потерь в усилителе) трансформатор явно будет использоваться недостаточно.

С другой стороны, трансформатор 2 x 60 В, который дает только 100 ВА, не подходит для питания обычного аудио усилителя, рассчитанного на 4 или 8 Ом сопротивления нагрузки. Фактически, трансформатор 2 x 60 В обеспечит эффективность усилителю, у которого мощность 2 x 400 Вт.

При одинаковом выходном напряжении, чем больше мощность трансформатора, тем больший ток может выдать трансформатор и, следовательно, тем меньше будет падение напряжения при работе трансформатора под нагрузкой. Это означает, что выходное напряжение может быть немного выше, когда усилитель достигнет предела насыщения.

Вот несколько значений величин трансформаторов (напряжение и минимальная мощность), а также мощности усилителя, которые можно получить здесь:

• трансформатор 2 x 35 В, 300 ВА: 400 Вт, среднеквадратичное значение, 8 Ом
• трансформатор 2 x 40 В, 400 ВА: 500 Вт, среднеквадратичное значение, 8 Ом
• трансформатор 2 x 45 В, 400 ВА: 650 Вт, среднеквадратичное значение, 8 Ом
• трансформатор 2 x 50 В, 500 ВА: 800 Вт, среднеквадратичное значение, 8 Ом
• трансформатор 2 x 55 В, 650 ВА: 950 Вт, среднеквадратичное значение, 8 Ом
• трансформатор 2 x 60 В, 800 ВА: 1200 Вт, среднеквадратичное значение, 8 Ом

Вы получаете большую мощность по сравнению с напряжением трансформатора, благодаря подключению выходного каскада усилителя по мостовой схеме.

Выбор силовых транзисторов

Количество используемых силовых транзисторов зависит от мощности усилителя.

Транзисторы MJL21194/MJL21193

Если используются транзисторы MJL21194 и MJL21193 (предназначенные для рассеивания 200 Вт при Tc = 25°C), в этом случае можно ожидать до 200 Вт (среднеквадратичное значение) на пару MJ21194/MJL21193. Разумно ограничиться до 150 Вт на пару силовых ключей.

Таким образом, эта простая схема усилителя (с удвоением каждой пары) подходит для мощности до 800 Вт (среднеквадратичное значение). Если вы хотите сделать больше, вам нужно добавить третью пару транзисторов MJL21194/MJL21193, что, таким образом, составит 12 силовых транзисторов.

Транзисторы 2SC5200/2SA1943

Если вы планируете использовать транзисторы 2SC5200 и 2SA1943 (предназначенные для рассеивания мощности 150 Вт при Tc = 25°C), то можем рассчитать 150 Вт RMS значения на пару 2SC5200/2SA1943. Кроме того, транзисторы в опасности.

Вместо удвоения MJL21194 и MJL21193 утройте количество 2SC5200 и 2SA1943, чтобы получить выходную мощность 800 Вт (среднеквадратичное значение).
Вместо того чтобы удваивать количество транзисторов MJL21194 и MJL21193, утройте 2SC5200 и 2SA1943, дабы получить выходной сигнал 800 Вт/rms.

Эти данные являются приблизительными и зависят от качества охлаждения (размера радиатора и вентиляции). Чтобы получить практическое представление, необходимо посмотреть на существующие коммерческие усилители сопоставимой мощности.

Установка силовых транзисторов на радиатор усилителя

Силовые транзисторы могут быть установлены на одном большом теплоотводе:

Здесь есть некое решение, которое позволит улучшить эффективность теплоотвода, тем самым повысить рассеивание тепла исходящего от выходных транзисторов. К тому же, в этом случае можно обойтись без использования изоляционных прокладок (слюдяных, силиконовых или любых других), которые устанавливаются между транзисторами и радиатором.

В таком варианте, радиатор подключается непосредственно к коллектору каждого транзистора. Поэтому необходимо использовать два радиатора электрически изолированных. Один будет иметь потенциал +Vcc, а другой — потенциал -Vcc. Однако, не забывайте при установке выходных транзисторов на теплоотвод, наносить на них теплопроводную пасту.

Будьте осторожны, между двумя радиаторами имеется напряжение более 100 В! Никогда не прикасайтесь к ним одновременно с включенным усилителем.

Простая схема усилителя — монтаж печатной платы

Чтобы собрать плату для этого усилителя, необходимо учесть несколько моментов:

Управляющие транзисторы Q3 и Q4 задействованные в предвыходном каскаде (и их аналоги в нижней половине схемы), должны быть установлены на небольших радиаторах. Для этого можно использовать алюминиевую пластину, на которой все они будут крепиться.

При этом, как транзисторы так и крепежные винты, необходимо изолировать. Винты через изоляционную шайбу, а транзисторы через слюдяные прокладки, также необходимо использовать теплопроводную пасту.

Резистор R6 и его аналог в нижней половине должны иметь значение, отрегулированное в соответствии с напряжением питания. Эта необходимость состоит в том, чтобы получить от 1,8 В до 2,0 В через резистор R7 (270 Ом). Данное напряжение важно, поскольку оно подает питание на базы управляющих транзисторов.

Если напряжение ниже, опасности нет, но увеличиваются кроссоверные искажения (шипение при очень низкой громкости). Если напряжение слишком высокое, может появиться ток покоя и, в худшем случае, быстрый тепловой пробой! Никогда не превышайте 2В на его выводах.

Принцип работы усилителя

Как работает простая схема усилителя? Дифференциальный входной каскад образован только на одном транзисторе Q1. Эмиттер Q1 соответствует обратной связи. Именно ток на резисторе R4 обеспечивает проводимость транзистора Q1. Таким образом, коэффициент усиления усилителя определяется:

коэффициент усиления = 1+R4/R3=31,

При необходимости можно немного подрегулировать R3. Конденсатор C2 снижает это усиление на низких частотах. Цепочка C3 и R5 образуют входной фильтр верхних частот. Резистор R5 обеспечивает входное сопротивление.

Транзистор Q2 служит каскадом усилителя напряжения. Диоды D1, D2 и резистор R8 ограничивают ток, который может протекать через Q2. Фактически, на выводах узла D1 и D2 не может быть больше 1,2 В. Таким образом, напряжение на R8 ограничено примерно 0,6 В, что устанавливает максимальный ток примерно на уровне 15-20 мА.

Конденсаторы C6 и C7 используются для эффективной стабилизации усилителя. Емкость C4 — это конденсатор в цепи вольтдобавки, который создает источник тока на резисторе R6. R7 создает напряжение от 1,8 В до 2 В, которое выполняет смещение базы Q3 и Q4.

Емкость C5 стабилизирует это напряжение. Следует избегать тока покоя, поскольку напряжение на выводах R7 фиксировано и не зависит от температуры (управление смещением, как в схеме Vbe multiply).

Выходной каскад основан на паре силовых транзисторов, включенных параллельно в соответствии с мощностью усилителя. D3 и D4 защищают выходной каскад усилителя от перенапряжений, которые могут возникнуть в случае сильного насыщения усилителя на индуктивной нагрузке (громкоговоритель и т.д.). Эти диоды должны выдерживать напряжение не менее 200 В и силу тока 3 А.

Нижняя половина усилителя создает напряжение в противофазе, как и любой усилитель в мостовом режиме. Здесь входной каскад используется как инвертор с коэффициентом усиления -1. Конденсатор C8 блокирует составляющую постоянного тока с выхода первой половины усилителя.(ред)

Работа усилителя в режиме ожидания может показаться странной. Каждая выходная клемма действительно имеет приблизительно +1,2 В постоянного тока по отношению к земле. Это напряжение Vbe на транзисторе Q1, добавленное к напряжению на выводах R4 (10 кОм), через которое проходит постоянный ток из-за смещения Q1. Коллекторный ток Q1 переходит в базу Q2.

Тест простой схемы усилителя 1000 Вт

Перед первым включением усилителя наиболее было бы разумно подключить галогенную лампу или обычную лампу накаливания мощностью от 30 до 60 Вт последовательно с первичной обмоткой трансформатора и переключателем, чтобы ограничить потребляемый ток в случае ошибки в монтаже конструкции.

Конечно, не обязательно сразу использовать всю мощность усилителя, но поначалу это и не является целью. Задача состоит в том, чтобы прежде всего включить усилитель и измерить напряжение постоянного тока с помощью вольтметра, установленного в положение измерения постоянного тока. Измерять мы должны следующее:

Напряжение от +1 В до +1,5 В на каждом выходе (выход + и выход -) относительно земли. Напряжение на клеммах динамика меньше +/- 0,2 В постоянного тока (смещение, которое очень незначительно сдвигает мембрану)

Примерное напряжение 1,8 В на резисторе R7. Будьте осторожны, когда вы включаете усилитель без использования лампочки, напряжение будет немного выше, так как силовая цепь усилителя в действительности будет иметь 220 В, без падения напряжения на лампе.

Теперь, если все собрано правильно, вы можете подключить динамик и подать на вход усилителя звуковой сигнал или подключить источник музыки. Если музыка есть (возможны небольшие искажения при очень низкой громкости), можно подключить усилитель к электрической розетки уже без лампы накаливания и провести несколько реальных испытаний!

Техническая документация транзисторов 2SC5200 — 2SA1943

Datasheet: 2SC5200

Datasheet: 2SA1943

Скачать печатные платы и оригинальную принципиальную схему: —> Печатные платы и схема