Универсальный параллельный УНЧ с коррекцией искажений. Часть 2 - Трансформаторный вариант

Трансформаторный вариант

При использовании трансформатора в качестве усилителя напряжения для рассматриваемого выходного каскада необходимо удалить с печатной платы перемычку Г–Д и подключить вторичную (повышающую) обмотку к точке Д. Второй конец вторичной обмотки – к общему проводу. Первичная обмотка: один конец – также к общему проводу, а второй – через разделительный конденсатор 470 мкФ × 10 В (минусом к трансформатору) – к выходу звуковой карты компьютера (или другого источника сигнала). Коэффициент трансформации должен быть 10…15. Сопротивление первичной обмотки должно быть 16…32 Ом (но уж никак не менее 4 Ом, чтобы не перегружать выход звуковой карты). Сопротивление вторичной обмотки – несколько сотен ом.

Левая часть схемы (слева от перемычек) при этом не используется и с неё надо снять питание, выпаяв резисторы R21 и R23, и удалить перемычку А–Б.

Рисунок 12.	Повышающий трансформатор.

Входной ток выходного каскада составляет единицы миллиампер; никаких особых требований к трансформаторному железу, проводу и способу намотки нет. Сечения сердечника в 1 см² вполне хватит. Я трансформатор не мотал. Нашёл почти подходящий готовый (снял согласующий трансформатор со старого телефона Panasonic с громкой связью). Правда, сечения его железа 0.25 см² оказалось мало, и на полной громкости он входит в насыщение, но на громкости чуть меньше звук вполне достойный. Фото моего трансформатора представлено на Рисунке 12. Его параметры таковы: R_ПЕРВ = 16 Ом; R_ВТОР = 220 Ом; коэффициент трансформации равен 10. При использовании трансформатора имеет место «мягкое» ограничение сигнала. Фото такого ограничения на частоте 1 кГц представлено на Рисунке 13.

Рисунок 13.	Ограничение сигнала на частоте 1 кГц.

Так как проверенных SPICE-моделей звуковых трансформаторов у меня нет, и я воспользовался тем, что было, спектр ВК с трансформаторным усилителем напряжения, приведённый на Рисунке 14, носит скорее информативный характер. Он подтверждает доминирующий характер второй гармоники данного ВК.

Рисунок 14.	Спектр выходного сигнала трансформаторной версии усилителя.

Конструкция с трансформатором проста, поэтому я рекомендовал бы её начинающим радиолюбителям.

Сам этот выходной каскад по параметрам (сложность/качество сигнала) является одним из лучших по мнению многих авторов, но и у него, конечно, есть свои маленькие недостатки. Для правильной работы узла коррекции необходимо очень хорошо подобрать сопротивления резисторов этого узла (от R34 до R43 включительно). Они должны как можно точнее соответствовать номиналам, указанным в схеме. А транзисторы VT14 и VT15, VT16 и VT17, VT12 и VT13, VT10 и VT11 надо подобрать попарно по наиболее близкому коэффициенту усиления. (Пары указаны в порядке убывания важности). Конечно, транзисторы разной проводимости не всегда удаётся подобрать идеально, но подбором эту разницу можно уменьшить.

Настройка выходного каскада

При подобранных деталях узла коррекции постоянное напряжение на выходе ВК в состоянии покоя чаще всего не уходит от нуля более чем на 5…20 мВ. (При условии, что либо стоит перемычка Г–Д, либо вход ВК соединён с общим проводом через вторичную обмотку трансформатора. Если вход ВК «висит» в воздухе – будет немного больше). Это абсолютно безопасное напряжение для акустики, но можно его уменьшить, изменив на несколько ом сопротивление резистора R25 (или R26) в ту или другую сторону. Эти резисторы задают ток источников тока VT10 и VT11. В данной схеме установлена величина 9 мА. Но, как правило, токи верхнего и нижнего плеча немного отличаются. Сравняв их, мы получим ноль на выходе. Обычно такую точную настройку ВК никто не делает, но поскольку этот УНЧ без обратной связи, то её желательно сделать, если важен хороший результат. Обычно достаточно уменьшить номинал резистора одного из плеч на 3…4 Ом, и токи практически выравниваются. Для этого можно припаять параллельно ему со стороны монтажа сопротивление номиналом, например, около 3 кОм (R* указан на схеме в качестве примера – его, возможно, придётся подбирать). Если же токи равны, а нуля нет, то можно на несколько ом уменьшить номинал R36 (либо R41). Такая коррекция не только уменьшает уровень постоянного напряжения на выходе, но также и уменьшит уровень второй гармоники в спектре усилителя. Ток коллектора VT16 (VT17) равен 5 мА. Он зависит от номиналов R36 (R41). Ток покоя выходных транзисторов при включении составляет примерно 50…60 мА, а при прогреве через несколько минут достигает 110…120 мА и далее не растёт. При работе обычно он изменяется не более чем на ±10 мА. Если радиатор раскалить до болевого шока, ток покоя упадёт до 40 мА, а при остывании восстановится. За его величину отвечают R37 и R42. Одинаково изменив их номинал на несколько десятков ом, можно при необходимости скорректировать ток покоя. Увеличение номинала ведёт к увеличению тока. Здесь надо действовать осторожно: после 150 мА (в некоторых случаях после 100 мА) дальнейшее увеличение номиналов резисторов может привести к резкому росту тока и выходу из строя транзисторов. Если используются предохранители 5 А, то выходные транзисторы не пострадают, а драйверы VT18, VT20 могут сгореть. Поэтому регулировки желательно делать, используя лампу накаливания (см. ниже).

При изменениях номиналов резисторов R36 (R41) на величину до 5 Ом или изменениях R37 (R42) на величину до 50 Ом дополнительную коррекцию остальных резисторов можно не проводить. При изменениях на большую величину (только при необходимости, хотя мне такие случаи не встречались) надо изменить номиналы резисторов узла коррекции согласно формуле:

Формула приведена для верхнего плеча, в нижнем – аналогично (симметрично).

Как я выяснил на практике, ток покоя также сильно зависит и от площади кристалла транзисторов VT14 и VT15. Чем она меньше – тем больше ток.

Также ток покоя можно изменить, меняя ток источника тока параллельного усилителя. Например, одинаково уменьшив номинал R25 и R26. Ток через них возрастёт, что приведёт к росту тока покоя выходных транзисторов. (Увеличивать ток источников тока выше 10…11 мА не рекомендую – вырастет уровень шума).

Измерять ток удобно по падению напряжения на соответствующем резисторе. Например, на сопротивлении 108 Ом падает 970 мВ (0.97 В). Значит 0.97/108 = 0.0089 А, то есть около 9 мА. Ток покоя выходных транзисторов можно измерять так же. Если, например, на R32 (0.1 Ом) падает 10 мВ, значит ток покоя равен 100 мА.

Термостабилизация

Так как увеличение тока через VT14 и VT15 ведёт к уменьшению тока через выходные транзисторы, то они и используются для термостабилизации. VT14 и VT15 крепятся к радиатору. Каждый – в непосредственной близости от своего выходного транзистора. Больше на радиатор ничего крепить нельзя. Выходные транзисторы устанавливаются через изоляторы (тонкая слюда), смазанные термопастой с обеих сторон. Транзисторы термостабилизации я к радиатору приклеил специальным теплопроводящим клеем. Но можно, предварительно смазав термопастой, просто прижать их маленькой скобой или плотно вставить в предварительно просверленное отверстие. Радиаторы должны быть не менее 1500 см² на канал. Лучше больше. У каждого канала свой радиатор. Каждый из драйверов VT18, VT20 должен иметь свой радиатор около 100 см². Источники тока VT10 и VT11 нуждаются в радиаторах площадью в 2…3 раза меньше. Остальные транзисторы средней мощности могут обойтись и без радиаторов, но я всё же прикрепил к ним небольшие алюминиевые полоски.

Порядок включения и проверки описан ниже, как и перечень возможных замен деталей.

Обратите внимание на качество приобретаемых радиодеталей. В первом же моём усилителе при питании ±35 В возникли сразу две проблемы. Появилась генерация на частоте около 250 кГц, которая не «лечилась» стандартными действиями. Виновники – новые BD139. Простая замена их на старые (из другой партии) решила проблему. Другая проблема ещё более странная. ВК работает штатно в любых режимах, но как только входит в жёсткий клиппинг, на выходе появляется постоянное напряжение без генерации. Динамики горят, больше ничего не происходит, ничего не греется, тишина. Не работает один из источников тока. После снятия питания и подачи его по новой опять всё работает до клиппинга. Замена новых BD139 на старые сразу решила проблему. Контрафакт. Или новые удешевлённые технологии. А вот новые BD140 другого производителя спокойно работают до сих пор, даже при питании ±50 В. В следующем УНЧ я уже заменил все BD139, BD140 на 2SD669A,2SB649A, соответственно. Советую и вам это сделать сразу.

Вариант с общей ООС

Этот вариант собирается в точности по Рисунку 2. (Стоят перемычки Г–Д и А–Б, ёмкости конденсаторов C15 и C16 (см. ниже) – по 220 пФ).

Усилитель напряжения (УН) собран по наиболее быстродействующей каскодной схеме на составном транзисторе VT7, VT8 и транзисторе VT22 и нагружен малошумящим источником стабильного тока 4 мА (VT6). На конденсаторах C7, C8 и резисторе R18 выполнена двухполюсная компенсация эффекта Миллера. У этого УН только один недостаток: при жёстком ограничении сигнала (клиппинге) на отрезанном участке нижней полуволны синусоиды возникают выбросы. Это происходит только при жёстком клиппинге. Для избавления от этого явления служит транзистор VT9, который закрывает VT7 при слишком высоком уровне сигнала. В штатном режиме он никакого влияния не оказывает. Резистор R20, отслеживающий это, пришлось подбирать на практике. Нормальный вариант – 82…91 Ом. Больше 110 Ом ставить нельзя – начнут появляться искажения. Меньше 47 Ом – выбросы.

С другой стороны, выбросы, как и самовозбуждение (если вдруг оно у вас появится, что крайне маловероятно) «лечатся» простым увеличением ёмкости конденсатора ООС C5. Её можно немного увеличить, но только при необходимости.

Так как при прослушивании особо динамичной музыки даже на средней громкости могут возникать некоторые пики (всплески) музыкального сигнала, ведущие к ограничению (искажению), я достаточно сильно поднял напряжение питания (на 25%). Теперь при любом музыкальном сигнале даже на номинальной мощности усилитель довольно трудно «загнать» в ограничение.

Входная часть – дифференциальный каскад (VT2, VT3). Бытует мнение, что дифкаскад вносит искажения. Но достаточно его запитать источником тока (VT1), и искажения снижаются в разы. Резисторы R7, R8 выравнивают характеристики транзисторов, увеличивают линейность и ещё уменьшают искажения. А если ещё отсимметрировать токи транзисторов дифкаскада с помощью токового зеркала (VT4, VT5), то получится идеальная и стабильная входная часть. Резисторы R9 и R10 – элементы компенсации. Ток коллектора VT1 – 2 мА.

Транзисторы VT2 и VT3 для минимизации искажений необходимо подобрать по коэффициенту усиления. К тому же это обеспечит почти идеальный ноль на выходе, даже если вы не настраивали ВК. Если идеальный ноль по каким-либо причинам не получается, то можно, немного меняя номинал резистора R9 или R10 в ту или другую сторону, этого добиться. Переменные резисторы в этом УНЧ я не использую сознательно, так как это снижает общую надёжность в долгосрочной перспективе.

Совсем не обязательно, но можно, если есть возможность, подобрать пару VT4 и VT5, пару драйверов и пару выходных транзисторов, а транзисторы VT1, VT6, VT7, VT8, VT9 и VT22 выбрать просто по максимальному коэффициенту усиления из имеющихся у вас транзисторов этого типа.

Обратите внимание, каждый источник тока (дифкаскада и усилителя напряжения) имеет свой источник опорного напряжения (на красном светодиоде АЛ307Б). Обычно используют один общий источник опорного напряжения на 2 или 3 источника тока, если везде требуется одинаковое опорное напряжение. Сделал я это специально, так как через общий источник опорного напряжения происходит проникновение сигнала усилителя напряжения в цепи питания входной части. А это приводит к появлению интермодуляции.

Возможные замены деталей

Транзисторы VT2,VT3,VT7 и VT8 (BC556C и BC546C) должны быть именно с литерой «C» в конце, так как только они имеют большой коэффициент усиления по току. Выходные 2SC5200 и 2SA1943 можно заменить на 2SC3281 и 2SA1302, соответственно. Возможно, после этого понадобится корректировка тока покоя. Если он изменится несильно, то можно ничего не менять. Драйверы 2SC5171 и 2SA1930 лучше ничем не заменять, но при их отсутствии можно ставить 2SC4793 и 2SA1837, соответственно, или MJE15032 и MJE15033. Если и этих нет, то можно пробовать, например, MJE340 (MJE350) или ставить любые другие средней мощности, применяемые в этой схеме (BD, 2SB), но ток покоя, возможно, придётся сильно корректировать, и некоторые параметры могут немного ухудшиться. Транзисторы BD139 и BD140 имеет смысл использовать (в тех местах, где они стоят в схеме) только если у вас напряжение питания ниже ±40 В. И обратите внимание на их качество (см. выше). При сомнениях ставьте сразу 2SD669A и 2SB649A. В схеме присутствуют транзисторы BD, так как первоначально усилитель рассчитывался, был изготовлен и работал при напряжении имеющегося блока питания ±33 В, а позже перерисовывать схему я не стал.

Катушка L1 наматывается прямо на резисторе R33 виток к витку любым одножильным лакированным медным проводом диаметром 0.8…1 мм. и содержит 8…9 витков. Концы катушки припаиваются к выводам резистора. Разместить её можно на плате или у выходного разъёма.

Потенциометр регулировки громкости R47 может быть номиналом 47…100 кОм.

Как можно заметить, вся левая (входная) часть УНЧ выполнена по несимметричной схеме. Симметричная схема, конечно, по THD и шуму показала немного лучшие результаты (и симуляторы «отрабатывают» симметричную схему на порядок быстрее), но увеличивать количество деталей входной части в 2 раза я счёл нецелесообразным, так как параметры УНЧ и так достаточно хороши, усложнять схему не хотелось, а самое главное – на звуке это не отражается вообще никак (проверено на практике).

При сравнительном прослушивании варианта с общей ООС и без неё для быстрого переключения режима вместо перемычек А–Б–В я установил переключатель с двумя группами запараллеленых (для надёжности) переключаемых контактов.

Средний контакт я подключил к точке А, нормально закрытый – к Б, нормально открытый – к В. Переключатель должен обеспечить быструю и надёжную коммутацию. При работающем УНЧ в момент переключения в динамиках могут возникать щелчки.

Трансформаторный вариант из-за низкого сопротивления вторичной обмотки трансформатора к самовозбуждению не склонен, как и вариант без общей ООС. А для полной надёжности варианта с общей ООС при таком значении выходного сопротивления УН и для исключения возможности низкоамплитудной генерации на ВЧ необходимо увеличить ёмкости конденсаторов C15 и C16. Вместо 100 пФ необходимо установить 220 пФ. Если планируется использовать усилитель в разных вариантах, сразу ставьте C15 и C16 по 220 пФ.

Косвенным подтверждением отсутствия генерации может служить практически одинаковый ток покоя УНЧ в варианте с общей ООС и без неё. Однако при правильных номиналах деталей и соблюдении рекомендаций генерация практически исключена.

Порядок проверки собранного УНЧ таков: после подачи питания (через лампу накаливания – см. ниже) без нагрузки и без входного сигнала проверяется ток покоя выходных транзисторов, токи источников тока выходной части (уравниваются при необходимости с помощью соответствующих резисторов), токи источников тока усилителя напряжения и дифкаскада. Если все в пределах допуска, измеряется напряжение на выходе. При необходимости корректируется с помощью R10. Без нагрузки на вход подаётся сигнал. Если всё нормально, проверяем под нагрузкой до ограничения сигнала. Только после этого проверяем всё то же, но уже без лампы. (Без лампы ток покоя УНЧ будет, конечно, выше процентов на 20….25, как и размах сигнала). После 5…7 минут прогрева на эквиваленте нагрузки (подав на вход синусоидальный сигнал 1 кГц) на мощности 10…15% от номинала (или на мощности 15…20% при подаче музыкального сигнала) отключаем источник сигнала (или уменьшаем громкость R47 до нуля) и через 1…2 минуты измеряем реальный ток покоя усилителя.

Не советую произвольно изменять номиналы деталей схемы, о которых не упоминается в данной статье, если у вас нет соответствующего опыта или если вы не располагаете как минимум осциллографом и генератором ЗЧ. Все номиналы довольно хорошо выверены на практике. Изменения могут привести к низкоамплитудной (0.2…1 В) перекомпенсации на ВЧ в звуковом диапазоне.

Правильно собранный из исправных деталей с соблюдением всех рекомендаций по сборке УНЧ запускается сразу.

Параметры этого варианта указаны в Таблице 1 начале статьи.

Вариант без общей ООС

По схеме на Рисунке 2 удаляется перемычка А–Б, устанавливается перемычка А–В.

Это всё. Порядок включения, проверки и настройки такой же, как и в предыдущих случаях. Параметры будут такими: THD 1 кГц – 0.009%; THD 20 кГц – 0.014%; THD 90 кГц – 0.054%; шумы – -85 дБ; полоса частот такая же, как и у варианта с общей ООС.

Как видно, параметры хорошие, но чуть хуже, чем у «голого» ВК. Это объясняется влиянием выходного сопротивления УН (которое компенсируется при использовании общей ООС). Можно, конечно, использовать эмиттерный повторитель в качестве буфера между УН и ВК, но для такого незначительного снижения искажений (0.002%) усложнять схему не хотелось. К тому же это лишило бы схему универсальности, так как в варианте с общей ООС этот буфер увеличил бы искажения.

Результаты спектрального анализа варианта без общей ООС представлены на Рисунке 15. Спектр тоже очень хорошо выглядит. Искажений значительно меньше, чем у трансформаторного варианта, хотя здесь и преобладает третья гармоника, вносимая усилителем напряжения. Уровень шума здесь, как видите, выше, чем в варианте с общей ООС, но на деле расслышать его можно только вплотную прижавшись в тишине к ВЧ динамику, и если сам динамик качественный.

Рисунок 15.	Спектр выходного сигнала усилителя без ООС.

Для сравнительного прослушивания усилителей на разных жанрах музыки использовалась приличная акустика B&W-704 и караоке-машина Evolution, как имеющая хороший звуковой тракт. Всё три варианта показали хорошие результаты. Один из них лично мне понравился больше, хотя были и те, кто предпочёл другой. То, что данный УНЧ звучит лучше, чем Inter-M, становится понятно сразу с первых секунд прослушивания даже на средней акустике. Чтобы отличить на слух разные варианты данного УНЧ или, например, сравнить его с «контрольным» усилителем, уже потребуется акустика классом повыше. Реально несложно отличить на слух 0.1% THD от 0.01%. Да и то в основном это возможно из-за высокого уровня интермодуляции в усилителях с высоким уровнем гармоник. А чтобы реально различить звук усилителей с THD менее 0.01%, уже нужны и хорошая акустика, и хороший слух. Восприятие музыки – это 100% субъективный фактор, поэтому описывать звук не буду. Всё равно одним нравится одно, а другим – другое. Поэтому, как говориться, лучше один раз прослушать самому, чем сто раз услышать описание прослушавшего. При использовании нормальной акустики даже среднего класса данному УНЧ эквалайзер вообще не нужен.

Питание

Вариант с общей ООС удерживает на выходе почти идеальный ноль по постоянному напряжению (±3 мВ), поэтому для его питания можно использовать любой обычный выпрямитель и трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке, обеспечивающий ток не менее 5 А на канал. (При использовании трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке надобность в резисторе R46 отпадает).

В остальных вариантах общей ООС нет, и усилитель слабее отслеживает уровень постоянного напряжения на выходе, поэтому идеального нуля там не будет. При правильной настройке УНЧ стабильно «держит» на выходе ±20…50 мВ. Для акустики это значение абсолютно безопасно. Однако во избежание возможных рисков (особенно при отсутствии устройства защиты громкоговорителей) можно использовать разделительный конденсатор или просто отключить среднюю точку вторичной обмотки трансформатора от общего провода (использовать автономный выпрямитель без средней точки в трансформаторе). Больше никаких изменений делать не надо. Средняя точка будет создана искусственно в точке соединения конденсаторов C21 и C22. Таким образом полностью исключается возможность проникновения постоянного напряжения в акустическую систему. Такой выпрямитель подойдёт для всех вариантов этого УНЧ. Резистор R46 при этом должен быть.

Теоретически при использовании автономного выпрямителя должен снизиться уровень НЧ фона (которого и так нет). Хотя по большей части этот постулат относится к полностью симметричным схемам. Практически же фон при таком питании в некоторых случаях, наоборот, может появиться, но только при неправильной разводке «земли» входной и выходной части в корпусе усилителя.

Для каждого канала я использую свой выпрямитель и отдельную обмотку трансформатора, но это не обязательно. Напряжение питания ±40…45 В при подключённом УНЧ в состоянии покоя. Ёмкости конденсаторов фильтра у меня по 20,000 мкФ (3×6800 мкФ) в каждом плече на каждый канал, но можно их уменьшить до 12…15 тысяч. Параллельно им нужно установить конденсаторы по 100…150 нФ (по одному на каждый блок электролитических конденсаторов). Провода используйте по возможности короткие и толстые. Каждый канал УНЧ должен иметь свои предохранители.

Напряжение питания можно снизить на 5…10 В без потери мощности, но делать это не советую.

Резисторы R31 и R32 – 5 Вт; R30, R33 и R46 – 2 Вт; R29 – 0.5 Вт; остальные – 0.25 Вт.

Конденсаторы C1, C2, C6 – на напряжение 25 В, остальные должны с запасом выдерживать напряжение питания.

Светодиоды – красные АЛ307Б с падением напряжения около 1.7 В.

D1 – любой интегральный выпрямитель, рассчитанный на напряжение питания и ток 10…20 А. Или просто 4 мощных диода.

При первом включении и проверке настоятельно рекомендую (не только для этого усилителя, а также и в любых других случаях) включить последовательно с первичной обмоткой сетевого трансформатора обычную лампу накаливания на напряжение 220 В мощностью 60 Вт (если ваш трансформатор мощностью 200 т). Это сбережёт множество деталей при ошибке монтажа или при каких-либо неполадках. При подключении к сети 220 В лампа на мгновение вспыхнет при зарядке конденсаторов фильтра выпрямителя, а затем, если спираль будет едва накалена, – всё в порядке, а если лампа продолжает светить сильно – есть проблемы (поломка или, например, выставлен очень большой ток покоя), но ничего не сгорит. Если же лампа больше не нужна, удобнее просто закоротить её с помощью подключенного параллельно ей автоматического выключателя на 1…3 А.

Фото рабочего макета и первого варианта платы (ещё без каскода) представлено на Рисунке 16.

Рисунок 16.	Рабочий макет усилителя.

При изготовлении усилителя советую дополнить его устройством защиты громкоговорителей, так как хорошая акустика стоит гораздо дороже.

Печатные платы я делал вручную, не уделяя должного внимания эстетике. Поэтому приводить их чертёж не буду. Усилитель не требователен к способу разводки печатной платы. Она может быть любой, но, конечно же, с соблюдением общих правил разводки платы для УНЧ.