Муфты электромонтажные от производителя Fucon

Термостабильный 200-ваттный усилитель класса супер-А

Texas Instruments LM7171

Термостабильный усилитель мощности, как и большинство усилителей, состоит из усилителя напряжения и выходного каскада. Схема представлена на Рисунке 1. В усилителе напряжения входной сигнал проходит через высокочастотный фильтр R2-C2 с полосой пропускания 360 кГц и усиливается операционным усилителем U1, который обеспечивает термостабилизацию нуля и низкий уровень искажений всего усилителя. Далее сигнал усиливается каскадами с общей базой на высоковольтных транзисторах Q1-Q4 и увеличивает размах до необходимых ±45 В. Затем с помощью транзисторов Q5-Q8 сигнал расщепляется на положительную и отрицательную полуволны. Каждая полуволна усиливается своим усилителем мощности, состоящим из операционного усилителя U2 (U3) и мощных выходных транзисторов Q9-Q11 (Q10-Q12). Токи усилителей полуволн суммируются и подаются на выход. С помощью резисторов R20 и R21 подается смещение на инвертирующие входы операционных усилителей U2 и U3. Таким образом выходные транзисторы переводятся в режим работы с контролируемыми токами покоя и минимума. Такой режим называют «экономичным А» или «супер-А». В этом режиме коммутационные искажения, возникающие при переключении мощных транзисторов, оказываются гораздо меньше, чем в режиме АВ. На Рисунке 2 представлена осциллограмма напряжений на резисторах R30-R33 (фактически, это токи выходных транзисторов Q9-Q12 или токи режима «супер-А»).

Критерии выбора литиевых аккумуляторов и батареек: что необходимо учитывать разработчикам

Принципиальная схема термостабильного 200-ваттного усилителя класса супер-А.
Рисунок 1. Принципиальная схема термостабильного 200-ваттного усилителя класса супер-А.

Операционные усилители U2 и U3 получают питание от вольтодобавки, контролируемой стабилитронами D7 и D10 типа BZX55C8V2 и диодами D8, D9. Диоды D5, D6, D8 и D9 типа 1N4148 ограничивают напряжения полуволн, поступающие на резисторы R16 и R17. Поскольку операционные усилители U2 и U3 по принципу работы обратной связи обеспечивают равенство напряжений на резисторах R16-R17 и на резисторах R30-R33, а через последние проходят выходные токи транзисторов Q9-Q11, эти токи ограничиваются на уровне 5.5 А на каждый транзистор. При необходимости увеличить выходные токи (например, вы хотите сделать сварочный аппарат smiley) нужно просто увеличить количество выходных транзисторов или включить последовательно с диодами D8 и D9 еще по одному транзистору, тогда выходные токи транзисторов будут ограничены на уровне 8 А на каждый транзистор. Даже при коротком замыкании выхода жесткий контроль за токами выходных транзисторов не прекращается, и транзисторы не сгорают от превышения максимального тока, но они нагреваются, и если не сгорают предохранители блока питания, через несколько минут может наступить их тепловой пробой. Ограничение выходного тока при коротком замыкании выхода и полном входном сигнале приводит к ограничению потребления тока по цепям питания на уровне 6 А, поэтому для надежного срабатывания не рекомендуется устанавливать плавкие предохранители в блоках питания номиналом более 4 А.

Осциллограмма напряжений на истоковых резисторах (R30-R33), показывающая токи выходных транзисторов (Q9-Q12) при работе в режиме супер-А.
Рисунок 2. Осциллограмма напряжений на истоковых резисторах (R30-R33),
показывающая токи выходных транзисторов (Q9-Q12) при
работе в режиме супер-А.

Диоды D3 и D4 типа 1N4148 улучшают форму напряжения при выходе усилителя напряжения из перегрузки входным сигналом (клиппинга). Осциллограмма «правильного» ограничения выходного напряжения входным сигналом частотой 20 кГц при нагрузке 4 Ом показана на Рисунке 3.

Осциллограмма выходного напряжения усилителя на нагрузке 4 Ом при перегрузке входным сигналом частотой 20 кГц.
Рисунок 3. Осциллограмма выходного напряжения усилителя на
нагрузке 4 Ом при перегрузке входным сигналом
частотой 20 кГц.

Операционные усилители U2 и U3 работают на входную емкость мощных полевых транзисторов, составляющую тысячи пикофарад и поэтому должны иметь большой выходной ток и высокую скорость нарастания выходного напряжения. Импульсные выходные токи этих усилителей при воспроизведении меандра достигают десятков миллиампер. Отслеживание милливольтовых сдвигов режима супер-А также требует от них термостабильного смещения нуля, а работа в усилителе напряжения U1 требует минимальных искажений на высоких частотах и при клиппинге. Нужными свойствами обладают микросхемы LM6171 и LM7171. Необходимо отметить, что LM6171 потребляет вдвое меньший ток, чем LM7171, что удобно для вольтодобавки, но имеет системный сдвиг нуля, и поэтому для LM6171 резисторы смещения разные – R20 = 270 кОм, R21 = 120 кОм. Существует микросхема с двумя операционными усилителями в одном корпусе – LM6172.

Выходной каскад с термостабильным режимом супер-А можно использовать и отдельно, так как его искажения оказываются небольшими, не более 0.11% при размахе выходного напряжения ±(1-45) В на нагрузке 4 Ом и на частотах 20 Гц - 20 кГц. При этом входное сопротивление более 40 кОм, выходное – менее 0.1 Ом, сдвиг нуля – несколько милливольт и скорость нарастания выходного напряжения более 100 В/мкс.

Такой каскад можно назвать универсальным, так как без изменения параметров каскада на выходе вместо полевых транзисторов можно использовать биполярные транзисторы Дарлингтона или составные транзисторы. Также нет необходимости подбирать пары полевых транзисторов по точному равенству напряжений отсечки затвор-исток. При разных напряжениях отсечки токи покоя и токи минимума в паре могут сильно отличаться, но операционные усилители жестко поддерживают среднее значение токов минимума и токов покоя 30/105 мА ±5 мА для любой температуры. Искажения при этом не увеличиваются. В схеме проверялись «неаудиофильские» полевые транзисторы IRFP240-IRFP9240 и IRF640-IRF9640, транзисторы Дарлингтона 2SD2560 и 2SB1647, а также пары (точнее тройки) составных транзисторов 2SD669A/2SC5200 и 2SB649A/2SA1943. Для биполярных транзисторов сопротивления резисторов R22-R25 нужно уменьшить до 10 Ом, а емкость конденсаторов С14-С15 увеличить до 510 пФ.

Коэффициент усиления усилителя, равный 30 дБ, определяется цепью отрицательной обратной связи (ООС) R6, C6, R3 и C3. Глубина ООС на частоте 1 кГц составляет 110 дБ, а на частоте 20 кГц – 75 дБ. Запас 11 дБ по амплитуде (на частоте13 МГц) и 41 градус по фазе (на частоте 5.7 МГц) гарантируют устойчивую работу усилителя. Коэффициент гармоник c учетом шумов (THDN) на частотах 20 Гц - 20 кГц и мощностях до 200 Вт на нагрузке 4 Ом не превышает 0.002 %.

Интермодуляционные искажения (IMD) не более –115 дБ. При нагрузке 8 Ом все искажения в два раза (или на 6 дБ) меньше. Меандр на выходе идеальной формы, без выбросов при скорости нарастания/спада напряжения на фронтах более 50 В/мкс. Осциллограмма меандра показана на Рисунке 4. Коммутационные искажения на выходе появляются только на частотах 10 кГц и 20 кГц при выходной мощности более 30 Вт на 4-омной нагрузке. Даже при нереальных 60 ваттах размах этих искажений около 5 мВ и 12 мВ, соответственно (при размахе шумовой дорожки 2 мВ), и их, конечно, никто услышать не сможет.

Осциллограмма выходного напряжения усилителя на нагрузке 4 Ом при перегрузке входным сигналом частотой 20 кГц.
Рисунок 4. Осциллограмма выходного напряжения усилителя на
нагрузке 4 Ом при перегрузке входным сигналом
частотой 20 кГц.

Фото макета усилителя показано на Рисунке 5. Маломощную часть схемы, все элементы которой находятся левее выходных транзисторов Q9-Q12, можно за несколько часов спаять на макетной плате размером пять на семь сантиметров. Влияние пульсаций источников питания усилителя (PSRR) не более –90 дБ на частотах 0 - 100 кГц. Однако на частотах 10 - 20 кГц наводки на маломощную часть схемы идут от проводов с мощными выходными токами и токами цепей питания.

Фото макета усилителя. Маломощная часть усилителя выполнена на макетной плате размером 5 на 7 см. Выходные транзисторы Дарлингтона 2SD2560 и 2SB1647.
Рисунок 5. Фото макета усилителя. Маломощная часть усилителя выполнена на макетной
плате размером 5 на 7 см. Выходные транзисторы Дарлингтона 2SD2560 и 2SB1647.

Поэтому макетную плату необходимо размещать симметрично относительно проводов с большими токами и не приближаться к ним ближе, чем на 3-4 сантиметра. Провода питания нужно скручивать, а индуктивность L1 смещать к выходным клеммам усилителя.

Вспомним положительные качества усилителя:

  • Выходная мощность достаточна для работы любой бытовой акустической системы;
  • Шумы и искажения ниже уровня, который могут услышать эксперты;
  • Параметры усилителя не зависят от температуры воздуха или радиаторов охлаждения;
  • Схема усилителя проста и не содержит дорогих комплектующих;
  • Изготовленный усилитель не нуждается в настройках;
  • На выходе усилителя могут использоваться либо полевые, либо биполярные транзисторы;
  • Усилитель питается от простого двуполярного выпрямителя достаточной мощности;
  • Усилитель не горит при коротком замыкании нагрузки.

Выводы

Усилитель рекомендуется к прослушиванию, и после вынесения вердикта «идеальный», – к массовому изготовлению с присвоением знака «народный ХАЙ-ЭНД».

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM7171
  2. Datasheet Vishay IRFP240
  3. Datasheet Vishay IRFP9240
  4. Datasheet ON Semiconductor 2N5401
  5. Datasheet ON Semiconductor 2N5551
  6. Datasheet Vishay BZX55
41 предложений от 27 поставщиков
Операционный усилитель, 1 Усилитель, 125 МГц, 4100 В/мкс, 5.5В до 36В, DIP, 8 вывод(-ов)
Akcel
Весь мир
LM7171BIM
Texas Instruments
от 33 ₽
EIS Components
Весь мир
LM7171BIN
Texas Instruments
70 ₽
Flash-Turtle
Весь мир
LM7171BIM/NOPB
National Semiconductor
по запросу
ТаймЧипс
Россия
LM7171AIWM
по запросу
Электронные компоненты. Летние скидки и кэшбэк от ТМ Электроникс
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Именно эту схему не собирал. Но собирал 3 другие схемы этого автора без микросхем работающие на том же принципе (с "Паяльника" и "Вегалаба"). Всё работает сразу и без пляски с бубном. Параметры неплохие, звук тоже. Хотя конечно супер-А класс - это всё-же не А класс. Достаточно взглянуть на спектр гармоник. Да и по звуку тоже. Но сама идея интересна, хотя и не нова. Но по моему скромному мнению реализации (и параметры) режима супер-А или ЭА у этого автора на сегодняшний день - лучшие.