Продолжаю рассуждать про УМЗЧ (см. статью “ Рассуждения про УМЗЧ. Часть1.” ) с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 12 (см. статью “Micro-Cap 12. Спасти и сохранить.”). Поскольку я приверженец усилителя небольшой (до 10 Вт) мощности, хочу поделиться своими соображениями об усилителе класса “А” ТЯНИ-ТОЛКАЙ с трансформатором на выходе. Для небольшой квартиры, как правило, выходная мощность усилителя требуется небольшая. Сразу оговариваюсь – конструктив и прослушивание пока не рассматриваю. Возможно это будет тема другой статьи, при условии, что усилитель изготовленный и прослушанный оправдает ожидания. Обращаю внимание, что Micro-Cap 12 это калькулятор, а не измерительный прибор и достоверность расчетов определяется точностью моделей компонентов. В целом, Micro-Cap 12 позволяет удобно, быстро и точно оценить концепцию принимаемых решений в схемотехнике. Файл для Micro-Cap 12 окончательной версии усилителя в конце статьи.
Прототипом рассматриваемого далее усилителя послужил усилитель Zeus 75 Power Amplifier , о котором я упомянул в конце предыдущей своей статьи. Схема усилителя Zeus и его коэффициент гармоник представлен ниже.
Входной трансформатор упрощает управление выходными транзисторами, но добавляет головную боль, поскольку правильный звуковой трансформатор – это произведение искусства, а мы, радиолюбители, не “художники” – я в этом уверен (утверждаю про себя однозначно). Поэтому входной трансформатор буду исключать. Выходной трансформатор в этой топологии необходим – без него никуда. Плюсом является то, что в идеале трансформатор работает без подмагничивания постоянным током. Но вместо трансформатора с выходной обмоткой можно использовать автотрансформатор с бифилярной обмоткой – экономим медный провод и размещаем больше витков для снижения рабочей индукции на самой нижней рабочей частоте. Нагрузка будет подключаться между истоками выходных транзисторов. Думаю, трансформатор изготовленный на торообразном сердечнике – самое то. Трансформатор придется намотать самостоятельно, либо заказать изготовление на специализированном производстве – кому что более приемлемо. Если допустить выходную мощность усилителя 10 Вт, то габаритная мощность сердечника трансформатора, приведенная к 50 Гц при работе усилителя на 10 Гц, составит около 50…60 Вт. Витые готовые сердечники на такую габаритную мощность относительно компактны. С конструктивом выходного трансформатора нужно будет разбираться отдельно, поэтому сосредоточусь на симуляции схемотехники усилителя с идеальным трансформатором. Обращаю внимание, что дорогостоящая акустическая система (АС) при неисправности усилителя не пострадает, поскольку по постоянному току будет надежно закорочена обмоткой выходного трансформатора. При таком подходе из звукового тракта уходят контакты электромагнитного реле системы защиты АС, которые вносят дополнительные искажения (вообще выбор подходящего реле для подобных целей еще та инженерная задачка). Щелчков при включении-выключении усилителя не должно быть – дополнительно исключается задержка включения АС.
Для симуляции буду использовать выходные полевые транзисторы с минимальной входной емкостью и минимальным сопротивлением в насыщенном состоянии. После анализа доступности выбор пал на транзисторы STP16NF06 . В Чип и Дип эти транзисторы имеются. Максимальные значения рабочего напряжения, тока и рассеиваемой мощности составляют 60 В, 16 А и 40 Вт. Входная емкость Ciss составляет 315 пФ. Как вариант буду рассматривать транзисторы IRLZ24 с параметрами 60 В, 17 А и 60 Вт. Входная емкость Ciss составляет 640 пФ. Итак, начну с упрощенной схемы усилителя для оценки чувствительности, выходной мощности, потребляемой мощности и гармонических искажений усилителя. Нагрузка активная 6 Ом. Схема усилителя и графики анализа в программе MC12 приведены ниже.
Промежуточные итоги:
- Вполне приемлемый коэффициент гармоник в широком диапазоне частот;
- Приемлемая АЧХ и ФЧХ усилителя;
- Постоянное групповое время задержки сигнала усилителя без выбросов;
- Хороший коэффициент использования напряжения источника питания;
-Практически полная нечувствительность к пульсациям источника питания выходного каскада усилителя;
- Выходная мощность 10 Вт на нагрузку 6 Ом при питании от однополярного источника 7,5 В;
- Мощность потребления от источника питания около 25 Вт;
- Для неизменного тока потребления в диапазоне рабочих температур усилителя требуется термостабилизация рабочей точки транзисторов;
- Требуется тщательный подбор транзисторов в пару;
- Требуется симметричный источник входного напряжения;
- Коэффициент передачи усилителя -0,5дБ по напряжению.
Требуется устранить жесткий подбор транзисторов в пару, обеспечить стабилизацию тока покоя усилителя и улучшить параметры усилителя пропорционально глубине местной ООС. Удобное решение – использование операционных усилителей (ОУ).
Буду использовать AD823A как наиболее подходящие (имеются в наличии). Напряжение питания выходных транзисторов принимаю 9 В. Биполярные транзисторы типа BD139 позволят “раскачать” полевые транзисторы с относительно высокой входной емкостью. Да и греются биполярные транзисторы относительно умеренно, рассеивая на себе примерно по 130 мВт тепловой мощности. Резисторы в затворах транзисторов влияют на АЧХ в области высоких частот, поэтому лучше сделать оптимизацию номиналов по групповому времени задержки сигнала (ГВЗ). Получившаяся схема усилителя с активными повторителями представлена ниже.
Обращаю внимание, ток покоя усилителя однозначно определяется напряжением источника смещения V1 и сопротивлением обмоток трансформатора, соединенных параллельно, и не зависит от разброса параметров силовых транзисторов.
Графики АЧХ, ФЧХ и ГВЗ позволяют косвенно судить, что проблем с прослушиванием музыкального материала не должно быть.
Подаем на вход усилителя амплитуду 12 В переменного напряжения и получаем на активной нагрузке 8 Ом чуть больше 10 Вт. Мощность потребления усилителя от источника 9 В составляет около 40 Вт. Коэффициент гармонических искажений получается менее 0,001%.
Коэффициент гармоник не самоцель, но получается очень хорошо. Остается самая малость – поднять коэффициент усиления и сделать входной сигнал от источника сигнала не симметричным.
В принципе ничего необычного. Два ОУ Х1 Х2 формируют противофазные сигналы для управления выходными повторителями напряжения. Входы усилителей соединены параллельно. Коэффициент усиления каждого усилителя равен 2. Входное сопротивление усилителя с использованными номиналами резисторов для несимметричного входного сигнала составляет 5,45 кОм, для симметричного – 10,9 кОм. Дополнительное усиление в 2 раза получается при усилении по току оконечными повторителями противофазных сигналов. Почти окончательная схему усилителя приведена ниже.
Коэффициент усиления по напряжению усилителя составляет +12дБ или 4. Это значит, при подаче 3 В амплитудного значения сигнала на вход усилителя, получим 10 Вт выходной мощности на активную нагрузку 8 Ом. Думаю, 3 В амплитудного значения входного сигнала достаточно, учитывая наличие дополнительного предварительного усилителя с регулятором громкости.
Коэффициент гармоник усилителя практически не изменился, составляя значение менее одного милипроцента.
Напряжение шумов, приведенных ко входу усилителя на частоте 1 кГц составляет примерно пол микровольта.
Подробнее про измерение шумов с использованием взвешивающего фильтра МЭК-А аудиоаппаратуры, симулируемой в программе Micro-Cap я излагал в статье “ Николай Сухов. Создаёт эксклюзивную аудиотехнику, схемотехнику Hi-Fi/High End ”.
Хочу добавить еще один функциональный узел в усилитель – адаптивное регулирование тока покоя. Без него можно обойтись и эксплуатировать усилитель как есть. Но класс А – это хороший класс для усилителя, превращающий усилитель в прибор отопления помещения. Несколько снизить ток покоя усилителя и соответственно потребляемую мощность при простое возможно, уменьшая ток покоя при отсутствии, либо “слишком” малом входном сигнале. Относительно просто такой режим можно реализовать амплитудным детектором, выпрямляющим выходной сигнал усилителя с большой постоянной времени восстановления интегрирующей RC-цепи в составе амплитудного детектора порядка 5…15с.
Далее выпрямленный сигнал масштабируется и используется в качестве напряжения смещения усилителя. Например, предположим, что сопротивление полуобмотки выходного трансформатора составляют 0,5 Ом при 20°С. Параллельное подключение составит величину 0,25 Ом. Для получения тока покоя усилителя 4,38А необходимо напряжение смещения равное Uсм=4,38А*0,25R=1,095В. Учитываем увеличение сопротивление медного провода при нагреве. Для меди принят температурный коэффициент 0,004 – посмотреть размерность можно по ссылке. Примем перегрев обмотки трансформатора на 40°С. При этом удельное сопротивление меди возрастает на 16%. Поэтому измеренное значение сопротивления полуобмотки трансформатора при комнатной температуре умножаем на коэффициент 1,16.
Окончательная схема усилителя приведена ниже. Осталось реализовать и прослушать. В качестве источника питания напрашивается импульсный источник питания с отдаваемой мощностью 45…50 Вт на 9 В выходного напряжения с отдельным формирователем питающих напряжений для ОУ.
Схема усилителя с автосмещением для моделирования в среде Micro-Cap 12 - Усилитель_4.cir
Поделюсь ещё одним наблюдением. Если вместо полевых транзисторов на выход поставить биполярные, то коэффициент гармоник уменьшается примерно на порядок, т.е. в 10 раз. Прав был Сухов Н., когда утверждал, что на выходе должны быть биполярные транзисторы. Только они обладают максимальной крутизной передаточной характеристики. Из ОУ можно попробовать TL082 - гармоники возрастут и полоса частот усилителя уменьшится. Но не факт что будет сильно хуже звучать.
Цепочки элементов L1-R10 и L3-R14 предотвращают самовозбуждение усилителя при наличии паразитной емкости C1 параллельно нагрузке R12.
Коэффициент гармоник очень низкий во всем диапазоне рабочих частот усилителя на максимальной мощности.
Схема усилителя на биполярных транзисторах для моделирования в среде Micro-Cap 12 - Усилитель_6.cir
Прикидывал трансформатор на торообразном сердечнике 70х40х30мм. При намотке проводом 1,25мм получается 352 витков с отводом от середины (две полуобмотки по 176 витков). Максимальная индукция 1,5Тл на 10 Гц, напряжение 9,5В.
По габаритной мощности сердечник трансформатора можно уменьшить.
Возможно Вам будут интересны другие мои статьи.