Найти тему
Паяльник

Сверхлинейный УМЗЧ КТ-21 import [Часть 2]

Идея

К написанию второй части статьи по усилителю "КТ-21" меня сподвигла статистика по сборке его другими людьми (первая часть здесь). Основное количество радиолюбителей, собравших данный усилитель, применяли импортные транзисторы как более доступные и современные. В связи с этим схема была оптимизирована под импортную элементную базу и разработана новая, компактная и простая в домашнем изготовлении односторонняя печатная плата.

Главными требованиями к усилителю неизменно осталась доступность, распространенность и дешевизна комплектующих и их аналогов, а так же высокие итоговые параметры, надёжность и стабильность.
В связи с этим импортные варианты замены выбирались не дорогие и распространенные.

Высокие итоговые параметры были получены благодаря глубокой ООС, которой охвачен этот усилитель. Не стоит внимать мифам о пагубности влияния глубокой ООС, эти заблуждения вызваны исключительно не умением грамотно распорядиться разомкнутым усилением УМЗЧ и коррекцией по Миллеру, способной запороть даже потенциально хороший усилитель.

Для импортной версии коррекция была оптимизирована, и несколько загрублена, что снизило глубину ООС на границе звукового диапазона на 6дБ и частоту единичного усиления до 2МГц, однако обеспечило устойчивость при применении как импортных так и отечественных транзисторов.

Глубина ООС на границе звукового диапазона (20кГц) составляет не менее 83дБ, а на частоте ниже первого полюса не менее 120дБ, что является хорошим результатом. Частота единичного усиления в петле обратной связи (что означает частоту до которой работает ООС) составляет 2МГц, при запасе устойчивости не менее 65°, что позволяет утверждать о абсолютной устойчивости этого усилителя.

Как следствие имеем минимальный КНИ, ИМИ и динамические искажения на всем диапазоне звуковых частот, совместив эти достоинства с абсолютной устойчивостью и надёжностью.

Принципиальная схема

Принципиальная схема усилителя
Принципиальная схема усилителя

Принципиальная схема на импортных транзисторах имеет несколько отличий в номиналах, были изменены номиналы элементов корректирующих цепей R14, C9, C11.
Структура схемы осталась без изменений.

Входной каскад представляет собой дифференциальный каскад со слежением, выполненный на транзисторах VT4,VT8 и нагруженный на каскод на VT3,VT7, который в свою очередь нагруженный на токовое зеркало выполненное на транзисторах VT2,VT6. На транзисторе VT5 реализован источник тока в "хвосте" диф.каскада, а на транзисторе VT1 реализовано слежение. Такая структура диф.каскада дала возможность получить максимальную широкополосность и высокое усиление разомкнутого усилителя.

Каскад усиления напряжения имеет перед собой повторитель реализованный на транзисторе VT9, что позволяет добиться более полного использования преимуществ полученных в диф.каскаде, а именно бОльшего усиления разомкнутой системы, и усилитель напряжения по схеме с ОЭ на транзисторе VT11, нагруженный на источник тока выполненный на транзисторе VT13. На светодиоде отмеченному на схеме как HL1 выполнен сброс усиления при заходе усилителя в клип, таким образом смягчается вход и выход из ограничения.

Коррекция усилителя выполнена на элементах С9, С11, C12, R14, L1.

На транзисторе VT12 и резисторах R18-R20 выполнена схема смещения выходного каскада.

Выходной каскад представляет собой классическую тройку эмиттерных повторителей. Применение тройки, а не классической двойки, позволило значительно снизить нагрузку на каскад усиления напряжения и как следствие снизить влияние нагрузки на характеристики УМЗЧ.

Технические характеристики

За неимением качественного измерительного оборудования, некоторые характеристики будут указаны на основании компьютерного моделирования схемы, они будут отмечены звёздочкой *.

  • Напряжение питания: +-20В...35В;
  • Полоса пропускания -3db: 1.5Гц - 300кГц*;
  • Выходная мощность: 50(100)Вт (При напряжении питания +-25 и +-35В соответственно, на 4Ом);
  • Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 60В/мкС*;
  • Глубина обратной связи: 120дБ/1кГц, 84дБ/20кГц*;
  • Диапазон допустимой нагрузки усилителя: 4 Ом...16 Ом (2 ом при питании не более +-25В);
  • Допустима работа в мостовом включении при нагрузке не менее 4 Ом и питании не более +-25в*.

Коэффициент нелинейных искажений (10 Вт 4 Ом):

  • На частоте 1кГц: 0.000015%*;
  • На частоте 20кГц: 0.0003%*.

Коэффициент нелинейных искажений (100 Вт 4 Ом):

  • На частоте 1кГц: 0.00006%*;
  • На частоте 20кГц: 0.0012%*.

Коэффициент интермодуляционных искажений (19+20кГц):

  • 10 Вт 4 Ом: 0.0001%*;
  • 100 Вт 4 Ом: 0.001%*.

Частотные характеристики

ЛАЧХ и ЛФЧХ в петле обратной связи:

-2

На данном графике можно увидеть частоту единичного усиления, запас устойчивости по фазе и глубину ООС в звуковом диапазоне.

ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутого усилителя:

-3

На данном графике можно увидеть ровную ЛАЧХ и ЛФЧХ на всем звуковом диапазоне, а так же отсутствие каких либо выбросов или всплесков.

Осциллограммы

Была снята реакция на меандр 20кГц, синусоида на номинальной мощности и ограничение синусоиды в клипе.

Меандр, частота 20кГц:

-4

Синусоида, номинальная мощность, частота 1кГц:

-5

Синусоида, ограничение, частота 1кГц:

-6

Элементы

Перед запайкой элементов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу. Очень удобно для этого использовать тестер типа MG328a;

Проверять необходимо как б/у так и новые компоненты в обязательном порядке.

Резисторы

Резисторы R33-R35 необходимо применить мощностью не менее 2 Вт, использование т.н. "цементных" резисторов допустимо, но лучше применять металлопленочные;
Остальные резисторы металлопленочные или углеродистые, использование резисторов имеющих индуктивность недопустимо;

Резистор R37 необходим мощностью 1-2Вт, на печатной плате он набран из 2х резисторов 18 Ом типоразмера 2010.

Резисторы R4,R8 мощностью 0,5 Вт, номиналом 1кОм для питания не более +-25В, 1.5кОм при питании от +-25В до +-30В и 2кОм при питании выше +-30В.

Остальные резисторы 0.25 Вт.

Конденсаторы

Конденсаторы С1,С2,С3,С7,С8,С18,С20 электролитические полярные, использовать на указанное в схеме напряжение или выше. Установка конденсаторов на более низкое напряжение недопустима;

Конденсаторы С5,С6,С10,С13,С14,С15,С16,С17,С19 допустимо использовать пленочные или керамические.

Конденсаторы С4,C9,C11,C12 допустимо использовать слюду или керамику 1206 типа X5R или NP0 50V, номиналы этих элементов должны быть СТРОГО соблюдены, в случае отсутствия номинала допустимо спаривания нескольких элементов последовательно или параллельно для получения нужной ёмкости.

Индуктивность

Индуктивность L1 номиналом 330мкГ, на плате использован аксиальный дроссель по типу указанного на фото.

-7

Диоды, светодиоды и стабилитроны

Диоды VD1,VD2 типа 1N4148 или аналогичные;


Диоды VD4,VD5 выпрямительные, типа 1N4007;
Диоды VD4,VD5 выпрямительные, типа 1N4007;
-9

Стабилитрон VD3 на напряжение 9.1 В мощностью 0,5 Вт, типа BZV55C9V1;

Светодиод HL1 обычный красный 5мм, с напряжением падения 1,8-2В (лучше выбирать с более низким).

Транзисторы

2N5551/2N5401

В маломощных цепях усилителя применены транзисторы 2N5551 и 2N5401. Перед установкой их в плату обязательно необходимо убедиться в их работоспособности.

На фото показана распиновка выводов данных транзисторов.

-10

BD139/140.

В цепи смещения и термостабилизации, а также в предвыходном каскаде применены транзисторы BD139/140, так же они имеют аналоги среди отечественных транзисторов, пару КТ814/815Г;

Транзистор VT12 может быть установлен BD136.

Транзисторы VT16, VT17 могут быть заменены на транзисторы BD237/238, BD441/442.

Расположение выводов транзисторов BD139/140:

-11

BD911/BD912.

В выходном каскаде применено две пары мощных транзисторов BD911/912. Они имеют широкую ОБР и отличаются высокой надежностью и мощностью.

Все аналоги приведенные на схеме уступают данной паре по мощности (кроме более низковольтной пары BD909/910). Потому рекомендую применять именно их.

Так же в выходном каскаде тестировались отечественные выходные транзисторы КТ818/819Г, их так же можно использовать, однако следует помнить что они имеют иную распиновку выводов.

Для работы на нагрузку 8 Ом и выше можно применять одну пару выходных транзисторов.

Расположение выводов транзисторов BD911/912:

-12

Печатная плата

Плата усилителя выполнена односторонней, для удобства домашнего изготовления, но содержит 2 перемычки. В гербере они выполнены на верхнем слое меди, потому при изготовлении платы на заводе перемычки впаивать не нужно. В архиве содержится готовый гербер, который можно без каких-либо изменений отправлять на завод для изготовления печатной платы.

Габариты платы составили 70мм*78мм. Все провода подключаются с помощью клемм, для питания и подключения АС использованы ножевые клеммы 6,3мм, для подключения источника сигнала использована винтовая двухполюсная клемма с шагом 5мм.

На печатной плате так же заложен вход и резистор R_br (10k) предназначенный для работы в мостовом режиме, он не показан на схеме.

Вид платы в редакторе:

-13
-14

Рекомендации по сборке

В этом разделе статьи хочется дать общие рекомендации по сборке УМЗЧ, при выполнении которых усилитель запускается и работает сразу.

  • Используйте только проверенные радиокомпоненты, каждую деталь перед пайкой в плату следует проверить на работоспособность и соответствие номиналу, в независимости от того применяются новые детали или б/у. Отдельное внимание хочется обратить на конденсаторы коррекции, так как на своем корпусе они не имеют маркировки;
  • Устанавливайте компоненты номиналом согласно схемы, самопроизвольная замена номиналов элементов недопустима;
  • Не рекомендуется применять проволочные резисторы;
  • Рабочие напряжения конденсаторов могут быть выше указанных на схеме;
  • Допускается применение только тех типов транзисторов, что указаны на схеме или возможные замены указанные в перечне элементов;
  • Перед установкой транзисторов необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии их параметров документации;
  • Транзисторы VT12, VT16 - VT21 должны быть установлены на один теплоотвод через теплопроводящие изоляторы, после закрепления их на радиатор следует убедиться в отсутствии контакта между радиатором и коллектором каждого из этих транзисторов;
  • Рекомендуемая площадь радиатора для выходных транзисторов не менее 1500см^2 при пассивном охлаждении;
  • Желателен подбор транзисторов VT4 c VT8 и VT2 c VT6 по параметру h21э;
  • В качестве подстроечного резистора R19 необходимо использовать многооборотный резистор типа 3296W, при установке его в плату, его сопротивление должно быть максимально.

Схема подключения

Стандартная схема подключения:

-15

Мостовая схема подключения*:

-16

*-Мостовая схема включения в железе не проверена

Фото собранного устройства

-17

Первый запуск и настройка усилителя

После запайки всех компонентов на печатную плату необходимо смыть остатки флюса и внимательно осмотреть печатную плату проверив отсутствие замыкания случайно оставшейся каплей припоя. Проверить все ли компоненты установлены верно( направления диодов, полярность конденсаторов, тип транзисторов (пнп/нпн)) и их ориентация в пространстве.

Если все в порядке, можно подключать блок питания, первый запуск следует проводить включив лампу накаливания последовательно первичной обмотке трансформатора. При включении лампа должна кратковременно загореться и потухнуть.

Далее следует замерить постоянное напряжение на выходе усилителя, оно должно быть не более +-30мВ. В собранном мной усилителе постоянная составляющая на выходе составила 20мВ.

Если все в порядке можно приступить к настройке тока покоя. Замкнув вход усилителя необходимо подстроечным резистором R19 добиться падения напряжения между эмиттерами VT18, VT19 в диапазоне от 10мВ, до 20мВ, что будет соответствовать суммарному току покоя от 50мА до 100мА, дальнейшее повышение тока покоя не имеет смысла.

Далее можно подключить АС и подать сигнал на вход усилителя, если все предыдущие пункты не вызвали проблем усилитель будет работать, теперь можно убрать лампу из первичной обмотки трансформатора и наслаждаться прослушиванием. Усилитель настоятельно рекомендую использовать совместно с релейной защитой АС.

P.S. Внизу прикреплен гербер файл для изготовления плат на производстве, а так же .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы: