Схема. Q-Watt усилитель мощности ЗЧ

Схема Q-Watt усилитель мощности ЗЧ 2

Измерения характеристик Q-Watt
Измерения проводились вместе с блоком питания на основе 500-ваттного трансформатора с напряжением ±40 вольт на выходе и четырьмя внешними конденсаторами емкостью 10000 мкФ на 100 вольт.

Чувствительность на входе:    0,88 В (137 Ватт при 8 Ом)
0,91 В (145 Ватт при 8 Ом)

Сопротивление входа:             15 кОм

Продолжительная выходная    137 Ватт при 8 Ом (к.г.и + шум = 0,1%)
мощность:                               145 Ватт при 8 Ом (к.г.и + шум = 1%)
220 Ватт при 4 Ом (к.г.и + шум = 0,1%)
233 Ватт при 4 Ом (к.г.и + шум = 1%)
218 Ватт при 8 Ом (к.г.и + шум = 10%)

Диапазон воспроизводимых    2,1 Гц до 125 кГц (50 Ватт/8 Ом)
частот:

Скорость нарастания             26,7 В/мкс
выходного напряжения:
Время нарастания:                2,4 мс
Соотношение сигнал/шум:      > 94 дБ (линейно, в диапазоне от 22 Гц до 22 кГц)

Гармонические                      0,0033% (1 кГц, 1 Ватт/8 Ом)
искажения + шум:                  0,0006% (1 кГц, 50 Ватт/8 Ом)
0,006% (20 кГц, 50 Ватт/8 Ом)
0,0047% (1 кГц, 1 Ватт/4 Ом)
0,0009% (1 кГц, 100 Ватт/4 Ом)
0,009% (20 кГц, 100 Ватт/4 Ом)

Защита по постоянному току: +0.55 В/-0.86 В
Задержка включения:             6 с.

Предпосылки
Все началось с измерения фильтра для усилителя Д-класса. Мы разработали этот фильтр чтобы измерить напряжение на выходе усилителя класса D до 70 вольт. Однако, нам ни разу не удалось протестировать фильтр при таком напряжении из-за отсутствия подходящего усилителя. Мы начали работать над проектом по созданию усилителя на 23 высоковольтных транзисторах (MJE340, MJE350, MPSA42 и MPSA92), которые были предназначены для работы
в двуполярном напряжении ±110 Вольт. Конструкция оказалась чрезвычайно сложной. Хотя печатная плата была разработана на первоначальный прототип, мы должны были спросить себя, стоит ли тратить столько усилий только для проверки фильтра. Усилитель должен был выдать на выходе сигнал напряжением 70 В до 20 кГц с чрезвычайно низким уровнем искажений. Минимальное сопротивление для измерения фильтра составляло 1 кОм, в результате максимум выходного тока составлял 100 мА (желательно даже больше).

Мы соответственно решили найти простую альтернативу, например микросхема, которая могла бы выдать на выходе большое напряжение с достаточной мощностью. Наш поиск привел нас к LME49811 от Texas Instruments. Заявленные особенности были превосходны. Конечно стоило разработать усилитель на основе этой микросхемы.
Схема Q-Watt усилитель мощности ЗЧ 3
Правильные транзисторы
Следующим шагом был выбор мощных транзисторов (Т4 и Т5) для мощного усилителя. Один из ключевых параметров мощного транзистора для использования в усилителе звука это большая область безопасной работы. Мы в конечном счете нашли пару очень хороших устройств от Semelab: MG6330-R (NPN) и комплементарный MG9410-R. Эти устройства могли держать более чем 600 мА на коллекторе при напряжении коллектор-эмиттера 200 В. Это состояние возникает когда усилитель управляет максимумом амплитуды на выходе без нагрузки. Это позволяет усилителю имея конфигурацию класса AB работать в районе более высокого класса А. Усиление по постоянному току этих силовых транзисторов довольно линейно, до нескольких ампер (чуть меньше с вариантом PNP). Подобное требование применяется для управляющих транзисторов(Т2 и Т3). Выбор типов — MJE15032 (NPN) и MJE15033 (PNP) — подходит для напряжения до 250 В, и здесь так же характеристика усиления по постоянному току довольно линейна. Управляющие и выходные транзисторы имеют довольно высокую переходную частоту: 30 МГц для MJE, 60 МГц для MG6330-R и 35 МГц для MG9410-R. Ток покоя устанавливается обычным BD139.

Таким образом появилась схема усилителя мощности изображенная на рисунке 1. Напряжение питания усилителя ±56 В. Используемый блок питания на основе трансформатора с двумя вторичными обмотками по 40 В. Усилитель может выдать до 300 Ватт мощности на нагрузке 4 Ом, если добавить пару 300-ваттных дополнительных транзисторов. Кроме микросхемы LME49811, усилитель мощности содержит четыре транзистора (Т2-Т5), а так же одного управляющего током покоя транзистора Т1, и некоторых других компонентов.
Схема Q-Watt усилитель мощности ЗЧ 4
Отрицательная обратная связь (R4, R3) имеет такие размеры, чтобы обеспечить чувствительность на входе примерно 1 В для максимальной амплитуды на выходе в ±55 В при питающем напряжении ±60 В. Это входное напряжение может легко быть предоставлено каким-нибудь современным предварительным усилителем. Значения резисторов выбирают так, чтобы гарантировать мощность рассеивания на резисторе R4 чуть ниже чем 0,25 Ватт при максимальной выходной мощности. Значения резисторов R1 и R2 должны быть такими же как и у R3 и R4, для сохранения наилучшего подавления синфазного сигнала на входе LME49811. В результате входное сопротивление получается приблизительно 15 кОм. Ширина полосы входящего сигнала ограничена в нижнем пределе на конденсаторе C1 (с теоретической угловой частоте 2,2 Гц) и на верхнем пределе конденсатором C2. В дополнение к подавлению любого высокочастотного шума, который может присутствовать, это ограничивает скорость нарастания, чтобы предохранить усилитель от чрезмерно крутых входных сигналов. Только один конденсатор (С3) необходим для частотной компенсации микросхемы. Для простоты использования применен подстроечник из тефлона (тефлон является отличным выбором для аудио цепей). Плата так же подходит для установки слюдяного конденсатора с шагом выводов 5,9 мм. Во время тестирования подстроечник устанавливают одной трети от номинального значения (примерно 18 пФ), это дает лучшие результаты измерений.

Петля обратной связи построенная вокруг IC2 стабилизирует выходное напряжение постоянного тока усилителя. Она сравнивает выходное напряжение с опорным и корректирует его путем подачи очень низкого тока в неинвертирующий вход LME49811(контакт 4). Неинвертирующий вход используется для этой коррекции, поскольку полное сопротивление на этом входе выше, чем на инвертирующем входе, чье сопротивление в значительной степени зависит от величины R3. Время отклика составляет несколько сотен миллисекунд. Микросхема OPA177 выбрана для управления усилителем из-за его выдающихся данных по постоянному напряжению (максимальный ток смещения 1,8 нА, максимальное смещение напряжения 60 мкВ). Полученное максимальное теоретическое напряжение смещения на выходе усилителя мощности составляет 0,6 мВ, что является незначительным для подключенных громкоговорителей. Выход напряжения смещения нашего прототипа был всего 0,2 мВ.
Схема Q-Watt усилитель мощности ЗЧ 5
Операционный усилитель в цепи коррекции постоянного напряжения имеет свое питание ± 15 В, снимается от основных шин питания с помощью нескольких резисторов и стабилитронов (R17, R18, D1 и D2). Значения R17 и R18 должны быть отрегулированы, если используется низкое напряжение питания. В связи с этим дополнительный ток 1,5 мА извлечь из V рельса по контакт 2 IC1 + 15 должен также быть приняты во внимание. В этом подключении добавочный ток 1.5 мА берется из шины питания +15 В вывода 2 микросхемы IC1, что должно быть принято во внимание. Цепь Цобеля (R13-С5) включена на выходе усилителя. Это гарантирует, что усилитель останется стабильным с индуктивной нагрузкой или без нагрузки. Катушка L1 обеспечивает дополнительную защиту против емкостных нагрузок, и резистор R12 ослабляет любые колебания или превышения. На печатной плате, R12 помещен внутрь L1 для экономии места.

Два больших буферные конденсатора (4700 мкФ каждый) также установлены на печатной плате. Выбранные типы имеют низкую эквивалентное последовательное сопротивление. Схеме дополнительно требуется внешний силовой трансформатор, выпрямительный мост и четыре конденсатора питания значением 10000 мкФ, 100 В каждый. Мы выбрали трансформатор с двумя вторичными обмотками по 40 В. Для прототипа мы использовали недорогой 500 Вт трансформатор, в результате чего выходное напряжение падало достаточное количество с относительно большой нагрузкой.

Защита
После включения усилителя, проходит несколько секунд для стабилизации постоянного напряжения на выходе. Как обычно, громкоговоритель подключен к выходу через реле. Это реле закрыто только тогда, когда присутствует напряжение питания усилителя, и нет постоянного тока на выходе усилителя. В этом проекте контролируется только положительное напряжение питания, используя его в качестве напряжения питания срабатывания схемы защиты, построенной на транзисторах T6 — T10. Защита по постоянному току обеспечивается парой транзисторов и фильтра нижних частот (R23/C15) с временной константой = 3,3 с. Это может показаться довольно долгим, но время, необходимое для T7 или T8, чтобы сработать и разрядить C16, уменьшается с уменьшением напряжения на выходе. Если есть смещение положительного напряжения более чем на 0,55 В на выходе, T8 сработает и отключит реле через T9/T10. Транзистор Т7 срабатывает, если есть отрицательное смещение больше, чем 0,85 В. Кроме того, напряжение на вторичных обмотках трансформатора контролируются таким образом, что реле сразу разъединяется после отключения трансформатора, или при сгорании предохранителя.
Схема Q-Watt усилитель мощности ЗЧ 6
Чтобы не создавать контур заземления, напряжение вторичных обмоток трансформатора контролируется с помощью оптрона IC3, который питает своим ​​выходным сигналом транзистор Т6 в схеме защиты. Диоды D3 и D4 в сочетании с конденсатором С14 выступают в качестве двухполупериодного выпрямителя для светодиода оптопары. Делитель напряжения R4/R3 имеет такие параметры, чтобы светодиод гас сразу же, если пропадает любое из напряжений на выходе трансформатора. Конденсатор С16 в сочетании с резисторами R25 и R26 определяет время задержки для срабатывания реле после подачи напряжения питания примерно 6 секунд. Используемое реле рассчитано на напряжение 48 В. Если у вас не найдется реле на 48 В, можно использовать вместо этого реле на 24 В. В этом случае R29 должен быть мощностью 1 Вт и сопротивлением 2,2 кОм.

Схема защиты рассчитана на напряжение питания ± 56 В. Если вы используете более низкое напряжение питания, сопротивление некоторых резисторов должно быть скорректировано. Это также относится к резисторам отрицательной обратной связи, если вы хотите сохранить входную чувствительность около 1 В. Имейте в виду, что коэффициент усиления LME49811 должен быть не менее 20 (26 дБ).

Охлаждение
Необходимо адекватное охлаждение для управляющих транзисторов, выходных транзисторов и IC1. Для микросхемы используется радиатор из куска 2 мм листового алюминия размером 2,5 х 8 мм, который устанавливается на микросхему парой винтов и гаек. Этого радиатора достаточно для 2 Вт или около того , рассеиваемые микросхемой с напряжением питания примерно ± 56 В. Выбор радиатора для выходных транзисторов имеет компромисс между размером радиатора и расчетной средней выходной мощностью усилителя. Очень большой теплоотвод или принудительное воздушное охлаждение будут необходимы при непрерывной полной выходной мощности, но на практике это происходит очень редко. Поэтому мы решили найти радиатор, который является достаточно большим, чтобы справиться с полной выходной мощности в течение короткого времени (несколько минут). Выбранный радиатор имеет высоту 10 см и тепловое сопротивление 0,7 К / Вт.
Схема Q-Watt усилитель мощности ЗЧ 7
Конструкция и детали
На рисунке 2 показана печатная плата, для данного усилителя. Создание платы конечно не трудное, но есть несколько моментов, которые требуют внимания. Большинство компонентов припаяно непосредственно на плату, за исключением T1- T5, IC1 и конденсаторов питания C8 и С9. Разъемы для подключения напряжения питания и громкоговорителя припаяны на печатной плате.
Катушка L1 состоит из 13 витков 1,5 мм эмалированного медного провода и наматывается на 7-мм каркас. Практически все использованные резисторы имею мощность рассеивания 0,25 Вт. Резисторы R10-R13 на 5 Вт. Стабилитроны D1 и D2 на 15 В каждый мощностью 0,5 Вт. Микросхемы: IC1 — LME49811TB/NOPB, IC2 — OPA177GPG4, IC3 — 4N25. Силовой трансформатор: 2×40 В, 500 Вт. Этот трансформатор рассчитан на 1 канал такого усилителя. Мостовой выпрямитель: 200 В, 35 A. Четыре электролитических конденсатора по 10000 мкФ, на 100 В (2 параллельно на каждой линии питания).

Настройка
Перед подключением усилителя Q- Watt непосредственно к источнику питания, необходимо установить ток покоя выходного каскада. Для этого, сначала подключите два резистора по 47 Ом мощностью 5 Вт последовательно с положительным и отрицательным выводами питания. Это предотвращает повреждение усилителя, если что-то не так, например короткое замыкание где-нибудь. Самое худшее, что может случиться, два мощных резистора задымятся. Подключите амперметр последовательно с положительной выводом питания. Перед включением напряжения питания, поверните P1 до конца против часовой стрелки. После включения питания, ток на положительной линии питания должны быть приблизительно 30 мА. Медленно поверните P1 вправо (по часовой стрелке), пока ток не возрастет на 30 мА (60 мА в общем). Этого относительно низкого тока покоя более чем достаточно. Ток покоя незначительно растет по мере увеличения температуры радиатора. Однако, как правило, остается ниже 90 мА.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *