Схема УНЧ на полевых транзисторах

Здесь представлен шестиканальный УНЧ на полевых транзисторах, идеально подходящий для использования в составе домашнего кинотеатра. Предлагаемый к повторению проект модульного усилителя мощности звука был создан довольно давно, но до сих пор не уступает по качеству звучания современным усилителям звука.

УНЧ на полевых транзисторах для домашнего кинотеатра

В моей домашней аудио студии он после изготовления сразу был подключен к компьютеру, как источнику звука и с тех пор устройство работает без нареканий, управляя двумя двухполосными громкоговорителями. Сама схема довольно проста в изготовлении, единственная сложность заключалась в количестве модулей усилителя, которые нужно было компактно разместить в корпусе.

Данный УНЧ на полевых транзисторах имеет в своем составе мощный блок питания выполненный на тороидальном трансформаторе на 200ВА, 6 печатных плат усилителей, микропроцессорный контроллер с электронными потенциометрами PGA2310. Усилители мощности в оконечном своем каскаде имеют популярные и дешевые MOSFET-транзисторы. Кроме этого, есть еще хорошая конструкция вот здесь.

Основной источник питания

Это самая простая часть всего усилителя: классический трансформаторный блок питания, обеспечивающий симметричные напряжения — не стабилизированные для оконечных каскадов усилителя, и стабилизированные цепи вспомогательного питания. Трансформатор 200ВА был изготовлен на заказ, с выходными напряжениями вторичных обмоток: 2х22В 2×1.9А и 2х13В 2х5А. Выпрямительный мост, подключенный к обмоткам низкого напряжения, смонтирован на корпусе усилителя, то есть отдельно от печатной платы, что позволяет ему лучше рассеивать выделяемое им тепло.

Принципиальная схема блока питания выглядит следующим образом:

Симметричное напряжение +/-16В питает оконечные каскады 5-ти усилителей, +/-30В подается на усилитель сабвуфера, остальные напряжения, уже стабилизированные, питают цепи в 5-ти усилителях фронтального, тылового и центрального каналов.

Компоненты фильтра, в основном большие электролитические конденсаторы, были смонтированы на большом куске текстолита. Из-за большого значения силы тока, потребляемого УНЧ собранного на полевых транзисторах, силовые дорожки на печатной плате были выполнены предельно широкими:

Подробности реализации этого модуля можно увидеть на фотографиях далее в этом посте.

Микропроцессорный контроллер и цифровые потенциометры

В данном усилителе нет типичного предусилителя с регулировкой тембра или баланса, но отказываться от регулировки громкости я не хотел. Об использовании механических потенциометров на шесть каналов не могло быть и речи, поэтому я решил использовать электронное регулирование.

Пробовал разные схемы, пока не наткнулся на высокопроизводительную микросхему регулятора громкости PGA2310. К тому же, на форумах любителей аудио, есть много положительных отзывов об этом цифровом регуляторе. Микросхема управляются через последовательную шину SPI, что потребовало использования микроконтроллера.

В моем варианте я остановился на довольно дешевом на тот момент AT90S2310. В основном он выполняет две функции — преобразует движение ручки регулятора на данные, которые он отправляет на PGA2310 и включает/выключает основное питание через реле.

Принципиальная схема:

Использование двух отдельных блоков питания может показаться немного странным — поясняю. В первом варианте потенциометры питались от основного блока питания усилителей, к сожалению, при включении усилителя в динамиках появлялся громкий щелчок, похожий на выстрел. Также не удалось компенсировать это с помощью аппаратного выключения звука (специальный вывод отключения звука в микросхеме PGA2310).

Решение было такое, что сначала надо включать потенциометры, потом усилители мощности. На момент сборки УНЧ на полевых транзисторах, самым оптимальным вариантом для меня было быстро сделать дополнительный симметричный блок питания на небольшом трансформаторе 2ВА.

Из-за нехватки места в корпусе аппарата, микросхемы PGA2310 были собраны на отдельных платах, которые вставляются вертикально в разъемы J4-J6. Схема такого модуля показана ниже:

Контроллер был изготовлен всего на четырех односторонних печатных платах — одна плата идет как основная и три идентичные с PGA2310:

При проектировании печатной платы нельзя было обойтись без нескольких перемычек, отмеченных красным.

На плате контроллера установлен энкодер (импульсный), микропереключатель и два светодиода, подсвечивающих кнопку включения в зависимости от питания (работа/ожидание):

Микропереключатель и светодиоды смонтированы на небольшом кусочке стеклотекстолита, который прикручен к передней панели корпуса:

Что касается светодиодов, то я использовал приборы диаметром 3мм, белый цвет горит, когда усилитель находится в дежурном режиме, питая только драйвер и потенциометры, синяя подсветка выключателя сигнализирует о работе усилителя.

В связи с нехваткой времени управляющая программа была написана на Bascom Basic и скомпилирована с дизассемблированной версией Bascom-AVR. В коде всего десяток строчек — включение/выключение, поддержка микроконтроллеров, отправка данных на PGA2310 (одинаковые значения на 3 микросхем) и сохранение настроек в EEPROM при переходе в режим ожидания. Дальше, в этом посте, есть ссылка на архив с бинарным файлом.

Пять усилителей переднего, заднего и центрального каналов

Для питания левой и правой фронтальных и тыловых колонок, а также центрального канала я использовал слегка модифицированную схему усилителя, опубликованную в журнале «Электроника для всех». В оригинале все это питалось от трансформатора с одной обмоткой, обеспечивающего 12 В, а требуемое напряжение получалось, в частности, с помощью удвоителя напряжения. Для моей схемы у меня был подходящий трансформатор и мне не пришлось использовать эти решения. Принципиальная схема представлена ​​на рисунке ниже:

В данном УНЧ собранного на полевых транзисторах, имеется много различных напряжений — это связано с использованием оконечного каскада, работающего по схеме с общим стоком. Если на сток MOSFET подать 16В и такое же значение приложить на затвор, то на истоке будет около 11В, что существенно ограничит максимальную мощность усилителя.

По этой причине я использовал источники тока на T2 и T3, при этом предварительно поляризовал затворы MOSFET. Их выход по току определяется напряжением питания (24В), напряжением на базах (22,75В) и резисторами R9, R10, поэтому он равен 10мА. Ток покоя усилителя устанавливается потенциометром ПР1, у меня он равен 70мА.

Транзистор Т1 компенсирует изменения этого значения из-за изменения температуры оконечных транзисторов и должен быть установлен на радиаторе. Напряжение постоянного тока на выходе усилителя не превышает 10мВ ни в одном из 5-ти блоков, при замыкании входа на корпус. Коэффициент усиления системы определяется резисторами R3 и R4 — он равен 22х или 27дБ.

Все схемы были собраны на идентичных платах, расположение элементов следующее:

При использовании одностороннего стеклотекстолита пришлось задействовать несколько перемычек (отмечены красным цветом). Транзистор Т1 был установлен на отрезке теплоотвода и запрессован в отверстие радиатора, что обеспечивает лучший тепловой контакт и позволяет стабилизировать ток покоя. Ниже приведены фотографии собранных модулей, а также фактические измеренные параметры готовых усилителей.

УНЧ на полевых транзисторах для сабвуфера

Низкочастотный динамик (известный как сабвуфер), называемый LFE (Low Frequency Effect) в системе Dolby Digital, должен управляться усилителем с достаточной мощностью, чтобы гарантировать точность воспроизведения баса, ударов, взрывов и других звуков с очень низкими частотами. Я как-то нашел в журнале «Практическая электроника» схему, которая показалась идеальной для такой роли — много мощности и MOSFET в выходном каскаде.

В этой схеме УНЧ выходные полевые транзисторы работают в конфигурации с общим истоком и управляются довольно интересным образом. Выход операционного усилителя нагружен резистором R14, который заставляет амплитуду входного звукового сигнала преобразовываться в ток, потребляемый операционным усилителем. Этот ток, протекающий для положительных половин сигнала через R4 и для отрицательных половин через R5, вызывает пропорциональные падения напряжения, которые подаются на затворы MOSFET, управляя ими.

Такое решение делает питание операционного усилителя и оконечного каскада полностью независимым. Ток покоя выставляется потенциометром ПР2, в моем случае он составляет 50мА. Правда, термостабилизации здесь нет, но после достаточно сильного нагрева отклонение не превышает 7%, так что это не трагедия. Транзисторы Т3 и Т4 защищают усилитель от слишком большого выходного тока, при необходимости уменьшая амплитуду выходного сигнала.

Коэффициент усиления схемы был установлен на уровне 29 дБ (27x). Кроме того, я добавил на входе дополнительный потенциометр, позволяющий уменьшить амплитуду сигнала, если окажется, что низкие частоты слишком громкие.

Схема традиционно собиралась на одностороннем стеклотекстолите:

Дорожки были спроектированы относительно эффективно — нужна была только одна перемычка.

Установка модулей в корпус

Из-за большого количества печатных плат, мне пришлось купить большой металлический корпус. Несмотря на имеющееся большое внутреннее пространство, печатные платы усилителей пришлось монтировать «сэндвичем», один над другим.

Из-за держателя предохранителя в задней панели, мне пришлось установить трансформатор над ним, используя алюминиевую пластину в качестве основания. Все транзисторы оконечного каскада прикручены к радиатору через изолирующие прокладки. Заземляющие провода проложены из одной точки, то есть винта, расположенного между контроллером и усилителями.

Плата с микропереключателями и светодиодами была прикручена к пластиковым элементам, которые в свою очередь я приклеил с помощью особо прочного клея Poxipol к ​​металлической передней панели. Цифровой регулятор громкости, также был впаян в плату и прикручен к корпусу.

Радиаторы и тороидальный трансформатор выбраны через чур с большим запасом, поэтому, нужно было сильно постараться, чтобы нагреть все это дело до 60°C со всеми 6 динамиками.

Для большей надежности все силовые кабели привязаны к днищу корпуса кабельными стяжками, а качестве сетевых проводов 220В были применены проводники с двойной изоляцией. Сделано это было в целях безопасности, так как корпус металлический и малейшая погрешность на участке сетевого напряжения может иметь трагические последствия.

Я попытался прикрутить радиаторы под и над вентиляционными отверстиями, чтобы имелся свободный выход нагретого воздуха из корпуса.

На задней панели расположены входные RCA-гнезда и выходные лабораторные клеммы, а также гнездо предохранителя:

Назначение коннекторов:

Во всей схеме я использовал винтовые соединения или коннекторы с позолоченными штырьками для розетки, чтобы можно было быстро снять модуль без необходимости использования паяльника. Во время сборки и тестирования это решение отлично сработало.

Впечатления от прослушивания и измерения параметров

Сразу оговорюсь, что я не аудиофил :), тем не менее, я не стал использовать детали, как говорят «что попало». При сборке усилителя я знал, чего мне нужно и, что ожидать от пяти модулей на полевых транзисторах, так как ранее собирал схему из журнала «Электронику для всех».

Неизвестной была только деталь из «Практической Электроники», отвечающая за сабвуфер. Но в итоге оказалось, что все это звучит очень красиво, как на двух, так и на трехполосных динамиках. Более слабые усилители любят импеданс 4 Ом, что даже целесообразно из-за низкого напряжения питания оконечного каскада. Аналогично с сабвуфером LFE.

Первые серьезные тесты прослушивания были проведены до того, как были сделаны какие-либо измерения с помощью осциллографа. Благодаря моим друзьям я собрал шесть соответствующих комплектов колонок, спаял 3 комплекта кабелей с разъемом 3,5 мм на дорогих металлических штекерах.

Затем я сел за компьютер с установленным AC3Filter (кто его еще помнит и запустил фильм ‘Вертолет в огне’ с DVD. Несмотря на то, что я видел его раньше, звуковые эффекты окружившие меня создавали впечатление, что я смотрю этот фильм впервые. Кроме того, сабвуфер отлично справился со своей работой.

Будучи студентом, я имел возможность пользоваться профессиональными осциллографами и генераторами сигналов, которыми оснащена лаборатория Технологического университета.

Подключив эквивалент нагрузки, генератор и осциллограф, я рассчитал эффективную мощность на основе измерений:

Усилители L, R, Ls, Rs, C — синусоидальный вход 240мВ RMS, f=1кГц, на нагрузку 4Ом у меня получилось 27,5Вт, на 8Ом 13,8Вт

Усилитель LFE — синусоидальный вход 320мВ RMS, f=1кГц, на нагрузку 4Ом у меня получилось 60Вт, на 8Ом было 47,5Вт, но при сигнале 355мВ RMS на входе.

При сегодняшних маркетинговых уловках и мощностях PMPO в 200 или 500 Вт на пластиковых колонках с подключаемым блоком питания, полученные значения могут показаться смешными. Однако при соответствующем качестве колонок, расположенных в жилом помещении площадью ~40м², мощности однозначно многовато, да и соседи по подъезду тоже могут осложнить жизнь.

Не менее важным параметром является частотная характеристика. Снятые параметры для усилителей меньшей мощности выглядят следующим образом:

Условия измерения: среднеквадратичное синусоидальное напряжение 24 мВ на входе с нагрузкой 4 Ом на выходе. Падение -3дБ произошло в диапазоне 24Гц-66кГц, что весьма неплохо.

Для усилителя LFE, питающего сабвуфер:

Вход представляет собой синус 32 мВ RMS, нагрузка на выходе 4 Ом. Диапазон -3 дБ составляет 7,5 Гц-43 кГц. Я уже знал, откуда исходит сильный гул :). Несмотря на то, что это усилитель НЧ-канала, я не использовал более высокочастотный срез — как с компьютера, так и с DVD-плеера с правильно обрезанным выходным сигналом LFE.

Как это часто бывает, жизнь свелась к использованию усилителя на двух двухполосных громкоговорителях, стоящих на полу, слева и справа от стола с компьютером. Возможно, я вернусь к идее, возникшей несколько лет назад, соединить два одинаковых усилителя и добавить сабвуфер :).

Для тех, кто заинтересован в повторении этой схемы, предоставляю графические файлы позволяющие травить печатные платы для усилителей и плату для микроконтроллера: amplifier_mosfet_5_1