Комплементарный УМЗЧ
Моей целью было построение усилителя мощности, пригодного как для озвучивания «пространства» во время праздничных мероприятий, так и для дискотек. Конечно, хотелось, чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался. Еще одно требование к нему — легкодоступность комплектующих.
Стремясь достичь качества Hi-Fi, я выбрал комплементарно-симметричную схему выходного каскада. Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт (на нагрузке 4 Ом). При такой мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В:
Это — эффективное значение, а амплитудная величина напряжения определяется так:
Следовательно, для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2×60 В. Это достаточно удобно, поскольку необходимые электролитические конденсаторы большой емкости для фильтров можно взять с рабочим напряжением 63 В, а они — недефицитны. При ±60 В необходимое переменное напряжение со вторичной обмотки силового трансформатора составляет примерно 2×43 В.
При таком высоком питающем напряжении неприменимы дешевые «традиционные» транзисторы. Требуется, чтобы максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер транзисторов составляло минимум 120 В. Поэтому в УМЗЧ я использовал транзисторы типов 2N5551, 2N5401, MJE15030, MJE15031, MJ15003 и МJ15004. Максимально допустимый коллекторный ток оконечных транзисторов МJ15003 и МJ15004 составляет 20 А, максимальная рассеиваемая мощность — 250 Вт. Но эти данные соответствуют «бесконечной» охлаждающей поверхности. Как оказалось, при Uкэ=50 В транзисторы долго не выдерживают ток 20 А. Поэтому (для «надежного» запаса) в оконечном каскаде в каждом плече используются по 2 транзистора. Их корпуса (типа ТО-3) закреплены на достаточно большом теплоотводе.
В принципе, питающее напряжение можно повысить вплоть до ±70 В и получить большую выходную мощность и на нагрузке 8 Ом. Однако при подключении такого УМЗЧ к акустической системе сопротивлением 4 Ом для безопасной работы необходимо увеличить количество оконечных транзисторов. Да и ближайшее распространенное значение рабочего напряжения конденсаторов составляет 100 В.
Схема усилителя приведена на рис.1. УМЗЧ имеет асимметричный вход. Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя. Их первые (левые по схеме) входы (базы транзисторов Т1 и ТЗ) запараллелены и подсоединены к цепочке C1-R1. Вторые входы дифференциальных усилителей (базы транзисторов Т2 и Т4) также запараллелены и включены в цепь общей отрицательной обратной связи, образованной элементами R13, С6, R14, С5.
К первым входам дифференциальных усилителей через резистор R2 подключен движок потенциометра Р1, с помощью которого устанавливается уровень постоянного напряжения на выходе УМЗЧ (балансировка). Диоды D1 и D2 включены последовательно в прямом направлении, и между их крайними выводами возникает напряжение примерно 1,2 В (±0,6 В относительно общего провода). К коллекторным нагрузкам дифференциальных усилителей (R7 и R9) подсоединены транзисторы Т5 и Т7, осуществляющие усиление напряжения. Между этими транзисторами находится транзистор Т6, задающий ток покоя усилителя. Регулировка тока покоя осуществляется потенциометром Р2.
Усилители напряжения (Т5 и Т7) нагружены на выходные каскады, образованные комплементарными «двойками» эмиттерных повторителей (Т10, Т12 и Т13; Т11, Т14 и Т15). Элементы D3, Т8 и D4, Т9 образуют схему защиты (ограничения тока выходных транзисторов при перегрузке).
Перед УМЗЧ включен предварительный усилитель (симметрично-асимметричный преобразователь входов) на основе операционного усилителя (рис.2). Его усиление по напряжению — 1. При симметричном входе входные линии подключаются к точкам CS9 и CS10, при асимметричном — к одной из указанных точек, а вторая соединяется с общим проводом. Это легко осуществить при использовании миниатюрного переключателя (типа jack). Предварительный усилитель играет еще одну роль. В 2-канальном варианте УМЗЧ в одном из каналов я поменял фазы сигналов на 180° («+» на «-«) так, что один из оконечных усилителей работает в противофазе относительно другого (рис.3). Необходимость этого возникает, если предполагается использовать два канала в мостовом включении для увеличения выходной мощности. В нормальном режиме это создает проблему фазировки громкоговорителей, однако она легко разрешается путем переключения контактов одной из акустических систем.
В противофазном включении УМЗЧ появляется и другое преимущество, когда один и тот же входной сигнал поступает на оба канала. Если в одном из каналов в данный момент времени на выходе возникает положительное напряжение, в другом канале — отрицательное. Соответственно, работают оба «плеча» двухполярного источника питания, и получается более равномерная его загрузка.
Конструкция. УМЗЧ собран на печатной плате размерами 72×167 мм. Чертеж платы приведен на рис.4, а расположение элементов — на рис.5. Печатные дорожки, по которым протекают большие токи (в оконечных каскадах), целесообразно хорошо залудить или сверху напаять на них дополнительные проводники. При монтаже элементов на плату удобно устанавливать сначала самые низкие, а затем все более высокие детали. Резисторы эмиттерных цепей устанавливаются в самом конце, поскольку под ними располагаются детали.
Изготовление корректирующего дросселя L (рис.1) простое, значение его индуктивности не критично. На цилиндрическую оправку диаметром 8 мм (например, хвостовик сверла 08 мм, обернутый слоем бумаги) наматывается примерно 12 витков обмоточного провода 01 мм.
Выходные транзисторы (Т12.. Т15), пред конечные (Т10, Т11), а также транзистор Т6, обеспечивающий термостабильность усилителя, устанавливаются на общий радиатор. Под транзисторы подкладываются слюдяные изолирующие пластинки, обе стороны которых покрываются теплопроводящей пастой. Вначале транзисторы закрепляются на куске L-образного алюминиевого профиля толщиной 4 мм, а к нему крепится радиатор. Корпуса ТО-3 оконечных транзисторов одновременно служат и их коллекторными выводами (рис.6). Здесь фиксирующие винты обеспечивают электрическое соединение коллекторов с печатной платой, поэтому L-npo-филь необходимо изолировать и от винтов. После монтажа следует тщательно проверить, чтобы все транзисторы были гальванически развязаны от охлаждающей поверхности.
Предварительный усилитель (рис.2) размещается на печатной плате, показанной на рис.7. Питание предварительнного усилителя — двухполярное (±15 В), стабилизированное.
Схема защиты громкоговорителей от попадания постоянного напряжения в случае неисправности УМЗЧ показана на рис.8. Она дополнена узлом слежения за перегрузкой на транзисторе Т4. Когда мгновенное значение напряжения, поступающего на нагрузку, приближается к питающему, загорается красный светодиод (D14) и горит некоторое время, чтобы индикация была заметной.
Когда на выходе УМЗЧ отсутствует постоянное напряжение, компараторы ICa и ICb выключены, напряжение в точке «А» близко к нулю, транзистор ТЗ открыт, реле J включено, и его контакты подключают громкоговоритель к выходу УМЗЧ. При появлении на выходе УМЗЧ постоянного напряжения любой полярности срабатывает один из компараторов, в точке «А» появляется напряжения 12В, транзистор Т2 открывается, соответственно, ТЗ закрывается. Реле отключается и «отделяет» громкоговоритель от выхода усилителя. Цепочка R3-C1-R4 обеспечивает задержку подключения акустики, чтобы избежать «стуков» и щелчков, вызванных переходными процессами в усилителе при включении питания.
При сборке усилителя я установил реле не на плате схемы защиты, а на плате УМЗЧ. Это выгодно в силу того, что сильноточный выходной сигнал УМЗЧ нужно подводить от платы только к контактам акустических систем, что значительно упрощает коммутацию и разводку кабелей. Схема защиты громкоговорителя собрана на печатной плате (рис.9), где из соображений универсальности предусмотрено место и для реле защиты (обозначено пунктиром).
В блоке питания использован тороидальный трансформатор мощностью 800 Вт (для 2-ка-нального варианта усилителя). Тороидальные трансформаторы весьма предпочтительны в силу малогабаритности, однако при их включении возникает бросок тока, многократно превосходящий рабочий ток. Другими словами, в момент включения первичную обмотку можно рассматривать как короткозамкнутый виток. Поэтому желательно обеспечить «мягкий» запуск блока питания. Для этого служит мощный балластный резистор (рис.10), закорачиваемый контактом реле. В момент включения через этот резистор подается напряжение на первичную обмотку трансформатора. Пока трансформатор «не раскачается», напряжение на обмотке мало, и включенное параллельно обмотке реле не срабатывает. При выходе трансформатора на рабочий режим и возрастании напряжения на обмотке срабатывает реле и замыкает резистор.
Наладка усилителя. После монтажа всех плат проверяем правильность соединений, отсутствие «мостиков» из припоя между печатными дорожками или разрывов дорожек. Движки триммерных потенциометров первоначально выводим в среднее положение. Подключаем плату УМЗЧ к положительному и отрицательному питающему напряжению через лампочки накаливания напряжением 24 В. Включаем напряжение, и если лампочки светятся слабо либо не светятся вообще, то схема, в первом приближении, функционирует. Когда какая-либо деталь неисправна, или на плате имеется замыкание, лампочки ярко вспыхивают или перегорают, но детали усилителя при этом не повреждаются.
Если с потребляемым током все в порядке, то требуемый ток покоя УМЗЧ устанавливаем с помощью потенциометра Р2 (рис.1). Затем вход усилителя соединяем с общим проводом и на выходе с помощью потенциометра Р1 устанавливаем нулевой уровень напряжения.
Общая схема усилителя приведена на рис.10. Провода заземления, питания и выходных цепей должны быть, по возможности, большого сечения и минимальной длины.
