Усилитель мощности ( далее по тексту УМ ) был разработан как максимально простой, и обладающий в то же время приемлемыми характеристиками усилитель мощности. Он собран полностью на отечественных комплектующих, что в сочетании с простой конструкцией обусловило небольшую стоимость его реализации, и также возможность улучшения его параметров с небольшими затратами. (Вид со снятой крышкой спереди, сзади, общий сверху)

Основные технические характеристики:

• Номинальное входное напряжение..........1,1В(+3 дБ)
• Номинальная синусоидальная мощность каждого канала, ограниченная искажением 1%:

  4 Ом........................................400 Вт
  8 Ом........................................220 Вт

• Диапазон рабочих частот при неравномерности -0,5дБ........................20-20000 Гц
• Скорость нарастания выходного сигнала.....25 В/мкС
• Коэффициент нелинейных искажений

• Отношение сигнал/шум+фон.....................96 дБ
• Фактор демпфирования...............переключаемый
• Напряжение питания...................220В/50-60 Гц
• Предельно допустимое отклонение напряжения в сети........................170-270 В
• Минимально допустимое сопротивление нагрузки......................2,5 Ом
• Габаритные размеры...................482*430*90 мм
• Вес,не более.................................16 кГ

 Органы управления,индикации и коммутации расположены на лицевой и задней панелях. По каждому из входов усилителя имеется регулятор уровня входного сигнала, позволяющий установить необходимую чувствительность. Усилитель может эксплуатироваться в двух режимах - STEREO и MONO. В монорежиме входы усилителя соединены параллельно, что позволяет использовать оставшийся свободным вход как линейный выход для дальнейшего увеличения числа работающих параллельно усилителей. Переключатель моно-стерео расположен на задней панели. На задней панели также расположены входные гнезда, сетевой предохранитель, выходные клеммы, переключатель напряжения 220/250 В и переключатель фактора демпфирования. Переключатель фактора демпфирования позволяет изменять демпфирование акустических систем и соответственно характер их звучания.

На передней панели находится сетевой выключатель и индикаторы состояния усилителя. Индикаторы показывают уровень выходного сигнала (-5 и -20 dB), ограничение выходного сигнала “PEAK” для каждого канала соответственно (эти же индикаторы индицируют короткое замыкание выхода. Зажигание этих индикаторов при отсутствиии свечения индикаторов -5dB и -20dB свидетельствует о коротком замыкании выхода), а также индикаторы включения питающей сети “power”, аварийного отключения акустических систем “sp.prot” и индикатор, свидетельствующий о принудительном отключении АС вследствие опасного превышения питающего напряжения “ >250V”. (Для продолжения работы необходимо перевести переключатель сетевого напряжения в положение 250V).

Конструктивно УМ выполнен на трех п/платах:

• плата собственно усилителей и схемы защиты акустических систем от постоянного напряжения на выходе в случае повреждения усилителя
• плата блока питания
• плата индикации

Схема платы усилителей приведена на рис1. На ней показаны схема правого канала УМ, схема блока защиты АС и условно - схема левого канала. Усилитель напряжения аналогичен УМЗЧ ВВ, разработанным Н. Суховым (описан в “Радио” №6 за 89г). Примерно такая же реализация усилителя напряжения применена в генераторе Г3-118, одного из лучших в своем классе, с той лишь разницей, что у него выход ОУ нагружен на каскад с ОЭ, и исключен последующий каскад с ОБ, что привело к инвертированию фазы и соответственно включению цепи ООС к неинвертирующему входу ОУ.

Рассмотрим схему усилителя подробнее: на входе применён ОУ К544УД2. Цепи С4R4 и R1С3 ограничивают диапазон с целью уменьшения проникновения проникновения на вход УМ инфра- и ультазвуковых составляющих, способных привести к амплитудной и скоростной перегрузке усилителя и возможному выходу из строя динамиков АС. ОУ нагружен на эммитерный повторитель VT3, который совместно с R8 выполняет функции преобразователя напряжение-ток, который затем сдвигается по уровню каскадом с ОБ на VT2, нагруженному на управляемый генератор тока на VT1. VT1 в свою очередь нагружен на генератор тока VT4, и R56, снижающем входное сопротивление нагрузки для VT1. Это сделано с целью несколько уменьшить общее усиление в цепи ООС и увеличить устойчивость усилителя. Усилитель тока выполнен трехкаскадным - VT5, VT10 - 1-й каскад, VT11, VT17 - второй и VT12...16, VT18...22 - третий, который состоит из 5 параллельно включенных транзисторов КТ8101 и КТ8102 соответственно. Защита от к.з. выполнена на транзисторах VT7VT6 и VT8VT9, для “положительного” и “отрицательного” плеч соответственно, включенных по схеме транзисторного аналога тиристора.

Такое включение выбрано из следующих соображенией: в выключенном состоянии схема защиты не имеет влияния на выходной каскад, выражающееся в увеличении Кг УМ на высоких частотах, по сравнению с традиционной схемой ограничения тока выходных транзисторов; второе значительное отличие от традиционной схемы - полное выключение выходных транзисторов соответствующего плеча при возникновении условий для срабатывания схемы защиты. Таким образом ток потребления УМ при к.з. и номинальном входном напряжении даже меньше чем режиме холостого хода, поэтому в режиме к.з. выхода УМ может находится неограниченно долгое время.

В отличие от других ключевых схем защиты эта не требует для возвращения в исходное состояние путем принудительного сброса или выключения питания: она возвращается в исходное (выключенное) состояние при установлении величины нагрузки в пределах 2,5-16 Ом, и подаче на вход усилителя полезного сигнала величиной 25% от номинала и выше. Цепи R19C14 и R19, C15 устраняют возможность ложного срабатывания схемы защиты вследствие сдвига фазы тока в нагрузке, возникающего вследствие ее реактивного характера. Выходной каскад выполнен следующим образом: транзисторы предвыходного каскада работают в режиме АБ с током покоя около 100 мА, определяемого величиной смещения на диодах VD9-VD12 и величиной резисторов R24,R35. Достаточно малая величина этих резисторов позволяет предвыходному каскаду работать как выходному в режиме малого сигнала и уменьшить время рассасывания емкостей Б-Э выходных транзисторов, и соответственно уменьшить коммутационные искажения выходного каскада, работающего в режиме Б. Такое решение выбрано с целью исключить необходимость применения цепей термокомпенсации, а также подстроечных резисторов, неизбежно в них присутствующих, и положительно сказывается на надежности УМ в целом. Индикатор ограничения выходного сигнала и к.з. выхода питается импульсами отрицательной полярности на выходе ОУ DA1, возникающими вследствие отключения действия цепи ООС при ограничении выходного сигнала или срабатывания схемы защиты от к.з.

Схема задержки подключения АС и отключения при появлении постоянного напряжения на выходе усилителей выполнена общей для обоих каналов, с целью упрощения. При включении питания конденсатор C19 заряжается через резистор R49, обеспечивая задержку включения ключа VT25,27 и реле KV1 на 2 сек. При появлении постоянного напряжения на выходе одного из усилителей откроется либо VT23, при положительной полярности, или VT24 в случае отрицательной, запирая ключ VT25,27. Также в эту схему введен необычный элемент - узел отключения АС при превышении питающего напряжения сети нормы на 20V (VT26, VD17-19, R51-53). Как показывает практика, превышение питающего напряжения бывает гораздо чаще, чем хотелось бы, и данный узел обеспечивает отключение АС в этом случае. Выполнен просто - при повышении напряжения питания узла защиты открываются стабилитроны VD17-19, транзистор VT26, и через светодиод индикации превышения “ >250V ” VT23, обеспечивая запирание ключа VT23,24. Продолжение работы далее возможно при переводе переключателя напряжения сети в положениеи “250V”.

Схема платы индикации и соединений показана на рис2 и пояснений не требует.

Конструкция и детали.

Усилитель выполнен на 3 платах - плата усилителей (рисунок печати 1:1), рисунок печати платы усилителей 1:1 , плата индикации (рисунок печати 1:1) , рисунок ппечати платы индикации 1:1 , плата питания (рисунок печати 1:1), рисунок печати платы питания.

На плате усилителей расположены 2 канала УМ с радиаторами выходных транзисторов и схема задержки включения и отключения АС при повреждении усилителя. Реле типа РП21 с 4-мя группами контактов (по 2 параллельно), РЭК34 либо аналогичное с напряжением срабатывания 24В. Радиаторы типа Р1 производства Винницкого п/о “Маяк” (ТУ 8.650.022) с профрезерованными площадками для установки 2-х транзисторов КТ8101(02) на каждый. Такой вариант охлаждения требует 2-х вентиляторов ВВФ71, расположенных спереди усилителя. Крайне нежелательно устанавливать их на задней панели ввиду большого уровня наводок от их двигателей. Плата усилителей ориентируется - входы-выходы со стороны задней панели. Конструкция плат также позволяет применить самодельные радиаторы с площадью охлаждения не менее 600 кв.см. для каждого плеча с установкой транзисторов каждого плеча на общий радиатор (принудительное охлаждение).

Транзисторы VT1, VT2, VT4 прикручиваются к печатной плате, являющейся дополнительным теплоотводом для них. Плата питания устанавливается на выводы конденсаторов фильтра. Усилитель имеет переключаемый фактор демпфирования, реализованный просто - частичным включением петли ООС по току. Датчики тока АС выполнены из 10-ти параллельно включенных резисторов 0,5W 1 Ом. Изготовление датчика тока (R3, R4 на общей схеме) из нихрома и др. высокоомных сплавов нежелательно, т.к. такое сопротивление может динамически менять свою величину при протекании тока через него при его нагреве, что в свою очередь может привести к росту искажений. В данном варианте при включении усилителя в режим пониженного демпфирования выходное сопротивление усилителя составляет 8-10 Ом. Это как показывает практика оптимальная величина для большинства АС, однако ее легко изменить в любую сторону изменением R2 на плате усилителей. Использовать режим повышенного выходного сопротивления следует всегда когда только возможно, так как такой режим работы заметно повышает надежность работы динамиков, понижая величину механических потерь в головке при такой же мощности по сравнению с режимом генератора напряжения. Режим работы с повышенным выходным сопротивлением также позволяет заметно поднять качество работы АС. Повышение качества звучания акустики связано со снижением интермодуляционных искажений, природа возникновения которых очень хорошо описана С. Агеевым в "Радио" N4 1997г. в статье "Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?". Режим повышенного выходного сопротивления также уменьшает сдвиг фазы тока в нагрузке, несколько облегчая режим работы выходного каскада. Дроссель L1 намотан на 2х-ваттном резисторе 6-10 Ом, проводом ПЭВ2-0.8 в один слой, выводы припаяны к выводам резистора. Блокировочные конденсаторы - К73-11, в фильтре питания К50-18.

Трансформатор питания (рис.3) выполнен на ленточном магнитопроводе из двух колец сечением 2х4,5см. каждое. Намоточные данные приведены в таблице.

Транзисторы выходного каскада КТ8101 и 8102 необходимо отобрать по коэффициенту усиления - не менее 25 и не более 60, и главное по предельному напряжению коллектор-эммитер. Для определения этого параметра необходимо собрать несложное устройство, состоящее из источника постоянного напряжения 300-500В, ограничивающего резистора 2W 24-40К и вольтметра с пределом 500В (рис.4). Транзистор с замкнутыми базой и эммитером подключается через ограничивающий резистор к источнику питания, и вольтметр, подключенный параллельно транзистору, фиксирует напряжение лавинного пробоя данного транзистора, которое и будет предельным для него. Необходимо отбирать транзисторы с напряжением не менее 250В. Игнорирование этого этапа может привести к выходам из строя в процессе эксплуатации.

Монтаж “общего” провода и питания - многожильным проводом 1,2 мм, кроме того монтаж “земли” от источника питания к каналам и схеме отключения АС выполняется отдельными максимально короткими проводниками.

Первый запуск и настройка.

Для настройки кроме осциллографа и генератора потребуется ЛАТР 0-250В 2А. Вначале следует проверить работу блока питания, затем - работу схемы отключения АС, путем подачи постоянного напряжения 2-3В на левый по схеме вывод R47 или R48. После проверки работоспособности схемы отключения необходимо настроить отключение АС при повышении питающего напряжения до 250В подстроечным резистором R52, при включенном переключателе сетевого напряжения в положение “220В”. Следующий этап - самый ответственный. Подключив один из каналов (питание надо подавать через плавкие предохранители с током не более 1А) и контролируя ток потребления амперметром и выходной сигнал осциллографом, крайне медленно нужно повышать питающее напряжение ЛАТР-ом от 0 до нормы. Ток потребления не должен превысить 250 мА, в противном случае немедленно отключить питание и тщательно проверить монтаж. Вначале на выходе будет присутствовать положительное постоянное напряжение, почти равное питанию, и по достижении питания примерно 50% от нормы выходное напряжение скачкообразно вернется в “0”, вследствие включения ООС.

После этого нужно подбором смещающих диодов VD9-VD12 установить падение напряжения на резисторах R24 и R35 в пределах 200-250 мВ, которое и будет определять ток покоя предвыходного каскада 90-115 мА. После этого проверяется работа от генератора без нагрузки. Установив частоту 1-2 кГц, необходимо удостовериться что выходное напряжение составляет не менее 50В, без нагрузки. Проверить работу индикатора “peak”, который должен зажигаться с началом ограничения выходного сигнала. Далее, заменив предохранители на предел 5-7А, проверить работу под нарузкой вначале 8, затем 4 Ома. Размах неограниченного сигнала должен составлять не менее 46В и 42В соответственно. Возможное возбуждение устраняется подбором емкостей C10, C18, C8, (в некоторых случаях также и C12,13). Затем - проверка работы в режиме повышенного выходного сопротивления. Проверку надо производить на нагрузке 4Ома, - именно при этом сопротивлении нагрузки сигнал с датчика тока АС примерно равен входному и не возникает заметного изменения коэффициета усиления. Здесь иногда требуется увеличить емкость коррекции на опережение С10, если возникает самовозбуждение при включении этого режима.

Далее - проверка действия схемы защиты от КЗ выхода, проводить лучше с выключенным режимом повышенного выходного сопротивления. Для этого вначале под нагрузкой 8 Ом и размахе выходного напряжения 20-30В необходимо замкнуть базы VT6-VT7, а затем VT8-VT9. Вследствие этого должны “отрезаться” положительная и отрицательная полуволна соответственно. Далее необходимо провести проверку на нагрузку 0.33Ома 3-6W, имитирующюю короткое замыкание. Убрать входной сигнал, подключить к одному из плеч амперметр, к выходу - вольтметр. Подключив эту нагрузку к выходу, медленно увеличивать входное напряжение, контролируя выходное напряжение, потребляемый ток и форму сигнала. При уровне выходного напряжения 2,1-2,3В должна сработать защита для одного плеча (как правило положительного, форма сигнала на рис.5 ), при дальнейшем увеличении напряжения сработает защита для другого плеча (форма на рис.6 ). Ток потребления при этом должен упасть до 160-200 мА. После этого проверку работы можно считать законченной.

Модернизация.

В усилителе применен режим работы выходных транзисторов без начального смещения. Перевод в режим АБ позволяет примерно в 6-8 раз снизить Кг на высоких частотах. Наиболее простой вариант узла смещения показан на рис.7. Он включается вместо 4-х диодов смещения, точка "А" - к коллектору VT!, точка "В" - к коллектору VT4. Транзистор-термодатчик располагается в наиболее термонапряженном месте радиатора, как можно ближе к выходному транзистору, находящемуся в наихудших условиях охлаждения. Для применения этой схемы необходимо увеличить величину резисторов R24 и R35 до 12-15 Ом. Настройка схемы заключается в следующем: вначале движок переменного резистора выводиться в верхнее по схеме положение. Подав питание, устанавливается ток покоя 150-180 мА. После этого при подкюченной нагрузке и номинальном выходном напряжении усилитель прогреваетя в течении 10-15 мин. Вновь измеряется ток покоя. Если он ниже первоначального - необходимо немного увеличить сопротивление в цепи эммитера транзистора-датчика температуры, и повторять процедуру настройки до получения примерно одинакового тока покоя в холодном и горячем состоянии. Недостатки данной схемы - наличие подстроечного резистора и большая инерционность тепловой цепи ООС.

От этих недостатков свободна схема автоматического регулирования тока покоя, показанная на рис.8. Принцип ее действия заключается в измерении падения напряжения на резисторах-датчиках тока покоя выходных транзисторов, с последующим управлением оптопарой, включенной вместо смещающих диодов. Здесь транзисторы, управляющие оптопарой, работают поочередно - когда один из них находится в состоянии насыщения, при работе одного из плеч выходного каскада, другой находится в активном состоянии, управляя работой оптопары и током покоя, и наоборот. Настройки схема не требует, однако возможно потребуется уточнить ток покоя подбором резистора 470К в базовой цепи оптопары. При включении примерно в течении 10 сек. ток покоя равен 0 и затем плавно увеличивается до нормы. В этой схеме также необходимо увеличить R24 и R35 до 12-15 Ом.

Можно также ввести плавное регулирование выходного сопротивления, для этого достаточно переключатель демпфирования SB2 заменить сдвоенным переменным резистором 2-4 кОм, и уменьшить сопротивление R2 до 100 Ом, для расширения регулировки выходного сопротивления в сторону увеличения.

Возможные замены: выходные транзисторы можно заменить на TOSHIBA 2SC3281 и 2SA1302, 2SA1216 - 2SC2922, 2SA1294 - 2SC3263. В этом случае пункт о отборе выходных транзисторов можно пропустить. КТ940 и 9115 можно заменить на КТ851 и 850.

Архив с файлами схем и плат в формате PCAD4.5 можно получить, кликнув здесь (135Kb)