В процессе отработки схемы были исследованы два варианта устройства — с выходной мощностью 25 и 60 Вт (номиналы и типы элементов, а также значения стабилизированных напряжений питания для последнего указаны в скобках). Стабилитроны V6, V7 в усилителе с выходной мощностью 25 Вт не используются.
Основные технические характеристики усилителя мощности
Номинальная выходная мощность. на нагрузке 4 Ом 2x25 (2x60) Вт
Полоса пропускания 20 - 100000 Гц
Номинальное входное напряжение 1(1) В
Коэффициент гармоник. %. на частоте, кГц:
1 0,1(0,1)
2 0,14(0,55)
10 0,2(0,9)
20 0,35(1,58)
Коэффициент интермодуляционных искажений, %, при подаче сигналов частотой 160 Гц и 1,4 кГц с отношением амплитуд 4:1 0,3(0,47)
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения, 8(8) В/мкс
Входное сопротивление 150 кОм
Ток покоя выходного каскада 50(50) мА
Интервал температур окружающего воздуха, -10... + 50 С
По своей сути усилитель Агеева представляет собой каскад усилителя напряжения, выполненный на ОУ, и следующие за ним два каскада усилителя тока, выполненные на транзисторах, включенные эмиттерными повторителями. Первый каскад усилителя тока нагружен на резисторы R7 и R9 (рис.1), которые обеспечивают током базы транзисторов выходного каскада. При этом такое перекрёстное включение транзисторов даёт два очень ценных свойства. Первое – это точное повторение на эмиттерах выходного каскада (V3, V4) напряжения на базах первого (V1, V2). Второе – это отличная термокомпенсация тока покоя при условии хорошего теплового контакта между всеми транзисторами.
У усилителя напряжения также можно заметить особенность – плавающее напряжение питания. Оно обеспечивается соединением средней точки источника питания ОУ (R4, R5, V6, V7) с выходом усилителя через резистор R6. Такой приём позволяет получить от ОУ размах напряжения на выходе вплоть до 30 вольт амплитуды, что даёт возможность в итоге иметь выходную мощность до 60 ватт.
Неприятностью же схемы является низкий коэффициент усиления транзисторов. На небольших мощностях это не является критичным, однако моделирование чётко показало, что при работе на нагрузку 4 Ом при росте мощности выходным транзисторам на пиках сигнала явно не хватает тока базы. Конечно, можно уменьшать R7 и R9, но это ведёт к росту тока покоя и… всё-равно не хватает тока. Именно по этой причине в схеме и появились диод V5 и резистор R8 .
Каскад усиления напряжения сигнала выполнен на ОУ А1. Как видно из схемы, в цепь его питания подается часть выходного сигнала через цепь R6СЗС4R4R5 (вместе со стабилитронами V7 элементы этой цепи, кроме резистора R6, обеспечивают стабилизацию и фильтрацию питающих напряжений). В результате напряжения на выводах питания ОУ при максимальном сигнале смещаются (относительно общего провода) в соответствующую сторону и размах выходного сигнала ОУ значительно увеличивается. Возникающие при этом на входах ОУ большие синфазные сигналы не представляют особой опасности, так как ОУ их хорошо подавляет (типичное значение коэффициента ослабления 70...90 дБ).
Усилитель мощности имеет два входа — инвертирующий (приведенные выше характеристики снимались при подаче сигнала на этот вход) и неинвертируюший (соответственно входы 2 и 1). Это упрощает разработку многополосных трактов с разделением сигнала на входе. Например, чтобы разделить сигнал на две полосы, достаточно между входами одного из усилителей включить фильтр верхних частот (низкочастотный сигнал образуется в результате вычитания выходного сигнала фильтра из входного). При этом, естественно, следует учесть, что коэффициент усиления с инвертирующего входа равен отношению RЗ/R2, а с неинвертирующего — 1+R3/R2.
При подаче сигнала на инвертирующий вход стабилизированные напряжения питания не должны превышать ±28 В, на неинвертирующий — значения, равного ±(Uвх + 28 В), где Uвх - амплитуда входного сигнала. Неиспользуемый вход в любом случае необходимо соединить с общим проводом. Если же усилитель предполагается питать от нестабилизированного источника, то во избежание опасных перенапряжений в цепях питания ОУ значения напряжений, указанные на рис. 4, необходимо уменьшить на 20%. Именно так пришлось поступить с усилителем описываемого блока, собранным по схеме 60-ваттного варианта.
При использовании усилителя мощности с предварительными усилителями и подаче сигнала на инвертирующий вход следует иметь в виду, что выходное сопротивление предшествующего каскада входит в цепь ООС, охватывающей ОУ А1, поэтому оно не должно превышать 15 кОм.
Конструкция и детали.
ОУ К140УД8А в усилителе мощности можно заменить на К140УД8Б, К140УД6. К140УД10. К140УД11. К544УД1. Худшие результаты дает применение ОУ К140УД7. Вовсе не рекомендуется использовать ОУ К140УД1Б, К140УД2А, К140УД2Б, К153УД1. Вместо стабилитронов КС518А можно применить соединенные последовательно стабилитроны Д814А, Д814Б с общим напряжением стабилизации около 18 В.
Остальные детали могут быть следующих типов: постоянные резисторы — МЛТ, электролитические конденсаторы К50-6, К50-12, остальные — КМ, К73-9 и т. п. Отклонение номиналов элементов частотозадающих цепей предварительного усилителя не должно превышать ±5%.
Катушка L усилителя мощности намотана виток к витку проводом ПЭВ-1 0,51 на текстолитовом каркасе диаметром 10 и длиной 15 мм и содержит 24 витка.
Усилитель мощности смонтирован на печатной плате размером — 80x70 мм.
Такие же размеры и у теплоотводов варианта усилителя с выходной мощностью 25 Вт. Они изготовлены из анодированного в черный цвет листового алюминиевого сплава толщиной 2 мм. Крепление транзисторов выходного каскада к теплоотводу показано на вкладке. Перед установкой на место подлежащие охлаждению площадки транзисторов 1(V1, V2) и 8(VЗ, V4) необходимо покрыть тонким слоем термопасты, а в отверстия их корпусов вставить ребристые латунные шайбы 5 толщиной 2 мм. Для обеспечения надежного теплового контакта в процессе эксплуатации под гайку необходимо подложить (кроме плоской шайбы) еще и стопорную разрезную шайбу.
В усилителе с выходной мощностью 40...60 Вт использованы имеющиеся в продаже универсальные теплоотводы с эффективной площадью поверхности 300 см2. На таком теплоотводе транзисторы крепят с одной стороны вплотную друг к другу.
Высокая термостабильность описываемого усилителя мощности позволяет эксплуатировать транзисторы выходного каскада при температуре переходов, близкой к предельно допустимой (-4+125° С). Температура корпусов при этом может достигать +90...950 С, поэтому следует избегать соприкосновений с ними (возможны ожоги!). Кроме того, следует иметь в виду, что надежность транзисторов при температурах, близких к предельно допустимой, заметно снижается. Использовать в усилителе транзисторы в металлостеклянных корпусах не рекомендуется.
Налаживание блока сводится к установке, проверке режимов работы ОУ и контролю тока покоя транзисторов выходного каскада усилителя мощности (он должен составлять примерно 50 мА).
В заключение несколько слов о возможных способах снижения нелинейных искажений, вносимых усилителем мощности. Достигнуть этой цели, по-видимому, можно сочетанием следующих мер:
— увеличением глубины ООС за счет уменьшения сопротивления резистора RЗ. Снижение чувствительности в этом случае можно компенсировать увеличением выходного сигнала предварительного усилителя (уменьшением сопротивления резистора R16). Во избежание самовозбуждения усилителя мощности при коэффициентах усиления, меньших 3, между инвертирующим входом ОУ А1 и общим проводом необходимо включить последовательную корректирующую цепь из резистора сопротивлением 36 кОм и конденсатора емкостью 39 пФ;
— применением более совершенных ОУ (с частотой единичного усиления не менее 20 МГц, скоростью нарастания выходного напряжения около 30 В/мкс и полосой большого сигнала до 100 кГц), например К544УД2, К574УД1;
— увеличением тока покоя выходных транзисторов, что достигается уменьшением сопротивлений резисторов R7, R9. Следует, однако, учесть, что в усилителе с выходной мощностью 25 Вт ток покоя не должен превышать 0,5 А, а в усилителе с выходной мощностью 40...60 Вт — 0,85 А. Минимума нелинейных искажений добиваются подбором (на частоте 20 кГц) резистора R8