Расчет электрических цепей с полевыми транзисторами

↑ Схема с УМЗЧ на полевых транзисторах

За основу взята схема с сайта cxem.net. Окончательный вид схемы получился таким:

Лампа применена 6Н23П. Также пришлось изменить номинал резисторов R15 в связи с тем, что напряжение питания у меня меньше, чем в исходной схеме (там ±36В) и без изменения номинала резистора не получится выставить нужный ток покоя. Почитав про данную схему отзывы, выяснил, что есть жалобы на «вылет» выходных транзисторов. Предположений о причинах этого казуса было озвучено несколько, но к одному мнению не пришли. Несмотря на то, что у меня ничего не «вылетало», на всякий случай добавил защиту: цепочку замыкания затворов на землю (через резистор и реле). Реле нормально-замкнутое, отключает это заземление одновременно с подключением колонок блоком задержки (после прогрева ламп и прочих переходных процессов при включении). Т.е. при подаче напряжения на реле защита отключается, а при всяких неожиданностях (например, при пропадании напряжении на реле) происходит замыкание затворов на землю. У меня стоит 4 герконовых реле вместо одного общего.

↑ От редакции

• Чувствительность усилителя по входу низкая, около 2 Вольт. Если такого источника у вас нет, то предусилитель НЕОБХОДИМ. Любой, с выходом 1-2 Вольта. • Используйте чувствительные АС 5-10 Вт с легкими (бумага, волокна и пр.) диффузорами, как для ламповых усилителей небольшой мощности.

• Оригинальный транзистор 2SK1058 найти нынче практически невозможно. У китайцев сейчас есть предложения по 2SK1058, вот только гарантий, как обычно, нет. Можно получить битые, перемаркированные, отбракованные или вполне здоровые. Можно и нужно пробовать, но на свой риск

Обратие внимание на корпус 2SK1058 (см. выше в статье), он очень своеобразный, часть объявлений по фоткам сразу можно исключить

Пробуйте разные варианты

, сравнивая параметры в датащитах, ищите доступный транзистор с подобными параметрами. И даже пробуйте просто на слух. За неимением 2SK1058, по при большом желании, люди собирают на неподходящих IRF530, IRF540, IRF610 и пр.

Всем Доброй Удачи!

Игорь

↑ Звучание

Я прослушивал мой усилитель с ламповым предусилителем на 12AU7, т. к. он обеспечивает наиболее чистый звук. Я понятия не имею об коэффициентах искажений этого усилителя и т. п. цифрах, лишь скажу, что у него точная звукопередача и деликатно текстурированный тембральный окрас. Для работы с усилителем требуется высокочувствительная, эффективная аккустика, т. к. он выдаёт ок. 5 Ватт RMS (и до 15 Ватт на пиках, что я ясно наблюдал на экране осциллографа). Передача басса оказалась значительно лучшей, чем можно было ожидать от такого решения. Усилитель с легкостью раскачивает мои 12-ти дюймовые трех-полосные колонки.

Схема усилителя

В этой статье рассмотрим процесс сборки весьма необычного усилителя, работающего в классе «А» и содержащего всего 4 транзистора. Эта схема разработана ещё в 1969 году английским инженером Джоном Линсли Худом, несмотря на свою старость, она и по сей день остаётся актуальной.

В отличие от усилителей на микросхемах, транзисторные усилители требуют тщательной настройки и подбора транзисторов. Эта схема – не исключение, хоть она и выглядит предельно простой. Транзистор VT1 – входной, структуры PNP. Можно экспериментировать с различными маломощными PNP-транзисторами, в том числе и с германиевыми, например, МП42. Хорошо себя зарекомендовали в этой схеме в качестве VT1 такие транзисторы, как 2N3906, BC212, BC546, КТ361. Транзистор VT2 – структуры NPN, средней или малой мощности, сюда подойдут КТ801, КТ630, КТ602, 2N697, BD139, 2SC5707, 2SD2165

Особое внимание стоит уделить выходным транзисторам VT3 и VT4, а точнее, их коэффициенту усиления. Сюда хорошо подходят КТ805, 2SC5200, 2N3055, 2SC5198

Нужно отобрать два одинаковых транзистора с как можно более близким коэффициентом усиления, при этом он должен более 120. Если коэффициент усиления выходных транзисторов меньше 120, значит в драйверный каскад (VT2) нужно поставить транзистор с большим усилением (300 и более).

↑ Доводка

Прослушивание не пропало даром. Выяснилось, что периодически «звук становится то громче, то тише». Причём когда тише, звучит «лучше». Забрал обратно усилитель для поиска причин такого поведения. Долго не мог поймать этот эффект. Первое, на что грешил, это уход параметров при нагреве. Не подтвердилось. Ток покоя оставался стабильным не зависимо от температуры выходных транзисторов. Ноль на выходе тоже никуда не убегал. Виновато оказалось напряжение питающей сети. Практически всегда оно стабильно 220В. Очень редко, потому и поймать долго не мог, оно повышалось до 245 и даже выше. В общем, при повышенном напряжении возрастало и анодное напряжение Вольт на 15-20. Этого хватало, чтобы звук изменялся. Тут и пригодилось то, что в питании SRPP был электронный дроссель. Пару деталей навесным монтажом и он превратился в стабилизатор. И все встало на свои места. Примечание:

на приведённой плате дроссель не разведён в режиме стабилизатора.

В настоящий момент усилитель занял своё место в ряду других поделок. Периодически используется, когда нужно устроить «небольшую дискотеку».

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

1. Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
2. В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
3. Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
4. В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
5. Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.

«Альтернативные» конструкции

1. Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
2. Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, – обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление – несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков – 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток – существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная – в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий – порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности – они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество

Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность

↑ Компоновка

Как расположить существующую плату SRPP и новую плату УМ в корпусе? Стандартный вариант: плоский корпус, платы в одной плоскости рядом, радиаторы сбоку или сзади. Не сильно оригинально. Если радиаторы сверху разместить, то более оригинально, но есть опасность замыкания по питанию (на радиаторах, без изоляции транзисторов, потенциал питания). Второй вариант: платы друг над другом, радиаторы с боку. Более оригинально. За такой вариант ещё было то, что в этом случае нужны заготовки корпуса меньшего размера.

Выбран второй вариант. Плата усилителя была разведена размером с плату SRPP.

На плате разместились: блок питания, сам усилитель и блок защиты АС. На трансформаторе впоследствии был закреплён самовосстанавливающийся тепловой предохранитель на 70 градусов.

Выходные транзисторы, размещённые на радиаторах через термопасту, соединяются с платой проводами, припаянными к монтажным клеммам платы. С одной стороны размещены IRFP140. С другой стороны IRFP9140, т.е. опасность случайного замыкания +/- 28в между собой сведена к минимуму. Для дополнительной безопасности можно посадить транзисторы на радиаторы через термопрокладку. Размер радиаторов специально не рассчитывал. Взял радиаторы, наиболее подходящие по размеру в ближайшем магазине «на глаз», исходя из опыта. И с таким расчётом, чтобы не выступали сильно за корпус (габариты корпуса уже примерно были понятны). В итоге не ошибся. Нагрев радиатора в районе крепления транзисторов около 60 градусов. Размеры радиатора: 8×15×3 см

Транзистор VT2 (термостабилизирующий) расположен непосредственно на радиаторе одного из выходного транзистора (с обратной стороны) и соединён с платой с помощью разъёма, посажен на радиатор через термопрокладку.

Резисторы R23 и R24 размещены не на плате, а припаяны непосредственно к затворам транзисторов.

Монтажные клеммы, к которым припаяны провода выходных транзисторов, заделаны в плату по следующей технологии: берётся вот такой лепесток.

Хвостик загибается под углом 90 градусов. На плате делается отверстие 3 мм и надфилем растачивается окошко, чтобы в него вошёл хвостик. Получается примерно такая дорожка: Лепесток вставляется в плату со стороны дорожки. Хвостик проходит сквозь плату и торчит сверху (к нему потом и припаивается провод). Лепесток прикручивается к плате винтиком М3 и дополнительно пропаивается по краям.

Сигнал между SRPP и УМ передаётся через те самые «зелёные провода», которые выше были описаны как «к усилителю для наушников отношение не имеют». На плате SRPP они запаяны, на плате УМ соединяются через разъёмы.

Конструкция в виде макета получилась такой:

Ультралинейный усилитель класса «А»

Вариант усилителя на отечественных транзисторах

По сути я ничего нового не придумал, просто давно хотел собрать данный усилитель, но на многих ресурсах отзывы о нем были не очень хорошие.

К сожалению, мне не удалось найти фотографии доделанных усилителей. Как правило, на страницах форума были только обсуждения и мне не оставалось ничего, кроме как повторить конструкцию. О схеме очень мало отзывов, в основном только негативные. Жалобы в основном о малом потреблении тока, слишком искаженный выходной сигнал и т.п.

Сначала были найдены все оптимальные замены транзисторам. Все транзисторы использовались отечественного производства. Травить плату не было возможности, поэтому как всегда на помощь пришла макетка.

На плате была собрана вся схема, а выходные транзисторы через провода припаяны к основной плате. В начале для выходного каскада использовал транзисторы КТ805, затем 819 и остановился на КТ803А — самый лучший вариант для этой схемы.

Схема планировалась для стандартной колонки на 4 Ом, поэтому некоторые номиналы схемы нужно подобрать под свои нужды. Выходной конденсатор на 3300 мкФ с напряжением 16-50вольт, входной по вкусу (от 0,1 до 1мкФ). Для питания использовал аккумулятор от бесперебойника, с ним усилитель развивает до 8 ватт, это уже чистейшая мощность, без хрипов, искажений и гулов.

За свою практику собрал немало усилителей мощности. Еще год назад, эталоном звука для меня были микросхемы СТК, затем была повторена схема ланзара и она долго не уступала свои позиции, но несколько дней назад этот усилитель вышел на первое место, оставив позади знаменитого ланзара.

Широкий диапазон воспроизводящих частот — еще одно достоинство этой схемы, хотя частоты ниже 30 Гц усилитель не сможет воспроизвести. Усилитель предназначен для широкополосной акустики, и для качественного звучания в первую очередь нужны качественные колонки. Хотя многие могут не согласится, но очень советую использовать отечественные головки 5 — 10 ГДШ с бумажным или поролоновым подвесом. После чистого класса «А» даже музыкальный центр будет звучать не так хорошо, как раньше.

Выходные транзисторы усилителя греются не так страшно, как говорилось в некоторых форумах, лично у меня без теплоотвода они поработали 10 минут на максимальной громкости, температура не превышала 70-80 градусов.

Странно то, что усилитель настолько качественный, что без подачи входного сигнала в колонках нет никакого шума или гула, словно усилитель выключен и включается только при подаче сигнала на вход.

Не советуется поднимать напряжение питания более 20 вольт, при 18 вольт усилитель показал 14 ватт — чистой синусоидальной мощи, но потреблял при этом 60 ватт… для класса «А» это вполне нормально. В дальнейшем планируется собрать еще один канал, уж больно понравился этот усилитель, рядом с ним даже музыкальный центр дурно звучит.

Список радиоэлементов

↑ Прослушивание

Послушал готовый вариант. Играет громко и не плохо. Звук понравился. Раскачивает современные колонки хорошо. Схема всеядна на колонки. Можно и 4 Ома и 8 Ом. Для закрепления положительного впечатления отнёс к соседу, который помогал с корпусом. Тут небольшое отступление. Музыку он слушает на следующей технике: CD проигрыватель, ресивер, колонки. Все неплохого качества, известных брендов. Бренды указывать не буду. Не в бренде дело. Когда пару лет назад я услышал, как все это играет, то не побоялся сказать что в звуке что-то не то. В принципе нормально, но немного не так все звучит, как хотелось бы. С высокими ерунда какая-то. И смазано как-то. В общем, он со мной согласился. Досконально разбираться не стали. Сошлись на мнении что, скорее всего колонки подкачали.

В общем, принёс я к нему этот усилитель. Подключили к его колонкам, включили. Пришлось забрать свои слова о колонках обратно. Нормальные оказались колонки. Все зазвучало. Придраться практически не к чему. Через пару часов прослушки с заменой репертуара, с переходом на винил и даже на простой FM приёмник, мне надоело искать недостатки. Я оставил ему усилитель «на погонять и выявить недостатки» и ушёл.

«Погонять» заняло практически месяц. В процессе поучаствовали другие соседи и гости. Недовольных не нашлось. Забегая вперёд скажу, что мой сосед участвовал в прослушивании многих собранных мной усилителей, и настолько проникся хорошим звуком, что я собрал для него, в качестве премии, ламповый усилитель. Теперь «бренд» пылится. Но это другая история.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная – с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм – наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

биполярные транзисторы.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения – это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле – сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21

Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера

Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Подробнее об элементах схемы.

Резистор R1 является сеточным резистором лампы V1a. Его значение не критично, но наличие обязательно! Резистор R2 совместно с входной ёмкостью лампы образует фильтр низких частот для защиты входа усилителя от помех. Аналогичную роль выполняет резистор R5 для катодного повторителя.

Номиналы резисторов R3 и R4 выбраны для получения на анодах ламп напряжения чуть больше 190В. При этом ток через каждую лампу составляет 0,8мА. Источник тока для диф. каскада построен на транзисторах Q6, Q7 для увеличения его внутреннего сопротивления. Светодиод задаёт опорное напряжение, а триммером Р1 можно удобно и с высокой точностью установить требуемый ток источника. Для питания генератора тока используется стабилизатор на микросхеме LM337.

При желании в схему можно ввести общую отрицательную обратную связь. Её глубина зависит от номиналов резисторов R6 и R8. При указанных на схеме значениях глубина ОООС составляет 6 дБ. Для повышения устойчивости параллельно R8 можно подключить конденсатор небольшой ёмкости (56пкФ). Если Вы не любите эксперименты или ярый противник отрицательной обратной связи, то элементы R6, R8, JP1, Cfb можно не устанавливать. Даже без общей ООС этот усилитель имеет очень низкие искажения.

Ток покоя лампы катодного повторителя выбран около 9 мА. Для снижения искажений и выходного сопротивления каскада этот тот желательно задавать побольше, но это может негативно сказаться на сроке службы лампы. Автор принял компромиссное решение.

Транзистор Q1 задаёт ток покоя транзисторного выходного каскада. Для обеспечения термостабилизации он должен быть закреплён как можно ближе к выходным транзисторам на общем радиаторе. Резистор P2 должен быть многооборотный и с надёжным контактом движка.

Резисторы R11, R16, P3 определяют входное сопротивление транзисторной части усилителя (при указанных номиналах оно составляет порядка 10 кОм). При использовании полевых транзисторов номиналы этих резисторов могут быть существенно увеличены. Триммер P3 служит для настройки «0» на выходе усилителя. Автор намеренно не использовал интегратор для этих целей, так как считает, что он негативно влияет на звучание.

Элементы R12/C4 и R20/C8 являются дополнительными фильтрами питания, и исключать их из схемы крайне не рекомендуется. Ёмкости конденсаторов С4 и С8 могут быть в пределах 220мкФ-330мкФ.

Транзисторы Q2 и Q4 образуют классический составной транзистор Дарлингтона, который даёт необходимое усиление по току. Транзисторы Q3 и Q5 образуют составной транзистор Шиклаи, имитируя комплементарный PNP транзистор. Так как Q4 и Q5 являются однотипными, то по мнению автора и комплементарность здесь достигается более полная. Для снижения искажений каскада Шиклаи обычно в него добавляют диод Баксандалла. Автор заменил его транзистором в диодном включении ( на схеме обозначен Qbax), что позволило ещё больше снизить искажения выходного каскада. Измеренные искажения при 1 Вт выходной мощности с диодом составили 0,22%, а с транзистором 2SC1815, включенным диодом, всего 0,08%. При больших уровнях выходной мощности разница между диодом и транзистором уменьшается. Печатная плата позволяет установить транзисторы типов 2SC1815 или 2SC2073 или просто диод 1N4007.

Благодаря наличию местных отрицательных обратных связей, выходной каскад имеет низкие искажения и хорошую термостабильность. Резисторы R21 и R22 должны быть безындукционные и возможно меньших габаритов.

Элементы R23 и C7 формируют цепь Цобеля для обеспечения стабильности усилителя на частотах выше 100 кГц. Базовые резисторы R13, R17, R14, и R18 также предотвращают возможные возбуждения на высоких частотах. При ёмкостной нагрузке данного усилителя для повышения его устойчивости можно последовательно с выходом подключить индуктивность (как это часто делается). Катушка содержит 16 витков медного провода диаметром 0,75-мм, намотанных на оправке диаметром 6.3-мм или на резисторе 15 Ом мощностью 2 Вт.

Схема устройства защиты и задержки включения акустических систем показана на рисунке:

Увеличение по клику

Она обеспечивает задержку подключения АС через 30 секунд после включения усилителя и отключения их при появлении на выходе опасного постоянного напряжения. Для минимизации влияния на звук реле для этого блока необходимо выбрать с надёжными и качественными контактами.

↑ Выводы

Звук хороший. Для тех, кто сомневается в своих силах построить полный ламповый усилитель, данная конструкция может стать достойным стартом в ламповый звук. В качестве эксперимента можно попробовать усилитель без катодных конденсаторов С1 и С2. Звучит по-другому. Сравнивать звучания не возьмусь, кому как больше понравится. Правда усиление при этом упадёт.

Максимальный неискажённый сигнал для УМЗЧ получился:

— на нагрузке 4 Ома = 14V, т.е. 49 Вт, — на нагрузке 8 Ом = 17V, т.е. 36 Вт. Входной сигнал при этом порядка 1V. При более мощном трансформаторе в УМ выходная мощность будет выше. По крайней мере, в первоисточнике при напряжении питания ±36В заявлена мощность 140 Вт.

Гармоники на нагрузке 4Ом выглядят следующим образом (мощность 10 Вт):

На 8 Ом результаты чуть лучше, но не принципиально.

АЧХ

Измерения проводились на нагрузке в виде 20Вт резистора на 4 Ома.

Похожие записи:

Как сшить чехол для телефона своими руками Как самостоятельно сделать солнечную батарею: пошаговый инструктаж Как сделать стаканчик из бумаги Чистка колодца своими руками: обзор лучших профилактических и капитальных методов Индикатор уровня воды в баке своими руками Как снять бипер с одежды. бытовые хитрости: как снять магнит с одежды. виды магнитных бирок