Дуглас Селф – известный британский инженер-электроник и автор многих статей в печатных изданиях по усилительной технике и психоакустике. Является обладает многих патентов в этой области. Одна из его самых популярных книг, переведённая на несколько языков «Audio Power Amplifier Design» сейчас уже издаётся шестым изданием.
В своей книге автор обращает внимание конструкторов транзисторных УМЗЧ на тот факт, что, уделяя много внимания минимизации переходных искажений, возникающих в двухтактных усилителях в моменты изменения знака выходного тока, т.е. в моменты малых мгновенных значений выходного сигнала, часто совершенно не обращают внимания на нелинейность, возникающую с другого конца динамического диапазона – максимальных токов.
При исследовании причины возрастания нелинейности на большом сигнале, Селф выяснил, что, во-первых, акустическая система в некоторых условиях требует существенно больший ток, чем рассчитанный по закону Ома с подстановкой в знаменатель паспортного номинального сопротивления АС (8-омная АС, в частности, иногда выглядит для усилителя как 3...4-омный эквивалент). Во-вторых, исследуя ряд мощных транзисторов, применяемых в выходных каскадах УМЗЧ, он выявил весьма сильное падение коэффициента передачи тока базы h21э при увеличении тока коллектора.
Выше приведены результаты измерений этой зависимости для распространённых транзисторов в выходных каскадах усилителей:
2N3055 (комплементарная пара с 2N2955);
МJ5024 (пара с MJ15025);
MJ2194 (пара с MJ2193);
2SC3281 (пара с 2SA1302).
Для сопоставимости все графики нормированы к значению h21э при токе коллектора 0,5 А.
Как видно, у транзистора 2N3055 коэффициент передачи падает в 3…4 раза при пиковом токе в 4…5 А, а это в реальном УМЗЧ приводит к такому же значительному снижению мгновенного коэффициента усиления предшествующих каскадов усиления напряжения, т.е. росту нелинейности.
Для решения этой проблемы Селф в схемах выходных каскадов УМЗЧ предлагает для дополнительной разгрузки включать выходные транзисторы по две пары в параллель (больше не рекомендует, поскольку при этом становится значительной суммарная ёмкость соединённых параллельно p-n-переходов).
На рисунке ниже показана зависимость коэффициента гармоник от частоты при разной нагрузке (8 – 4 – 3 Ома), но одинаковом выходном напряжении (выходной мощности 20 Вт/8 Ом, 40 Вт/4 Ома, 60 Вт/ 3 Ома), из которой видно, что линейность уже очень слабо зависит от нагрузки.
Схема электрическая
Технические характеристики:
Режим работы выходного каскада – AB;
Напряжение питания – ± 30 В;
Ток покоя выходного каскада – 130…150 мА;
Номинальное входное напряжение – 700 мВ;
Номинальная выходная мощность, измеренная на 4-омной активной нагрузке – 65 Вт;
Рабочий диапазон частот – 10 Гц…40 кГц;
Неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот – ±0,3 дБ;
THD при номинальной выходной мощности (65 Вт) на частоте:
1 кГц – 0,003%;
20 кГц – 0,02%.
Из особенностей схемы, помимо включения в параллель транзисторов входного дифференциального каскада и выходного усилителя тока, стоит сказать и о схеме термостабилизации, которую предлагает Дуглас Селф.
Усовершенствованная схема термостабилизации режима выходных транзисторов VT18…VT21 на VT12, дополнение которой диодом VD5 и двумя дополнительными резисторами R17, R19 увеличивает температурную чувствительность термодатчика до 4 мВ/°С и таким образом повысило точность поддержания тока покоя выходных транзисторов.
Конструкция
Чертёж печатной платы для приведённой схемы показан ниже.
Транзистор VT12 крепится на теплоотводе в непосредственной близости от одного из транзисторов выходного каскада, к плате он подсоединяется монтажным проводом. Все транзисторы крепятся на радиатор через слюдяные подложки с теплопроводящей пастой КТП-8.
Катушка L1 содержит 8 витков провода ПЭЛ-0,7, намотанных на оправке диаметром 10 мм.
Помимо общих шагов по проверке и первому включению усилителя, настройка включает себя установку начального тока выходного каскада. Для этого перед включением движок подстроечного резистора R22 устанавливают в верхнее положение и ориентируясь по падению напряжения на резисторе R36 или R37, плавным вращением выставляется 13…15 мВ.