17,6 тыс подписчиков

Простой транзисторный УМЗЧ OSIRIS

18 мая 202318 мая 2023

7674

8 мин

Идея

Данная конструкция была разработана с целью создания максимально простого, недорогого и качественного усилителя, который бы обеспечивал высокие показатели и не уступал усилителям на микросхемах типа TDA/LM или транзисторным УМЗЧ аналогичной сложности.

После изучения различных простых усилителей, представленных в сети, было обнаружено, что простые решения, как правило, имеют посредственные характеристики и содержат множество компромиссов. При этом несмотря на то, что они выполнены по трехкаскадной схемотехнике Линна и содержат бОльшее количество каскадов, чем усилитель, представленный в данной статье, глубина их обратной связи может быть ниже, а уровень искажений выше.

Автор принял решение пойти другим путем и добиться улучшения параметров без увеличения количества каскадов усиления, оптимизируя двухкаскадную топологию. Схема полученная в результате вышла простой, но при этом позволила превзойти многие трехкаскадные усилители аналогичной сложности.

Основополагающими идеями при проектировании усилителя были следующие:

Простая схема;
Высокие качественные характеристики;
Отсутствие необходимости в защите АС;
Однополярное питание;
Дешевые и доступные компоненты;
Компактная односторонняя ПП.

Принципиальная схема

Усилитель состоит из двух каскадов и структурно представляет собой схему Линна 1956года.

Входной каскад является каскадом усиления напряжения, он выполнен на транзисторах VT3, VT4 по каскодной схеме, что позволяет увеличить полосу усиления данного каскада. Нагрузкой для усилителя напряжения выступает источник тока на транзисторе VT1 и выходной каскад усилителя. Благодаря работе на источник тока усиление входного каскада до первого полюса составляет 92 дБ, что является хорошим результатом и позволяет ввести обратную связь достаточной глубины.

Выходной каскад представляет собой классическую тройку повторителей выполненную на транзисторах VT5...VT10, именно применение тройки, что нетипично для простых усилителей, позволяет использовать весь потенциал усилителя напряжения и максимально сохранить его усиление.

Узел смещения выходного каскада представляет собой умножитель напряжение б-э, и выполнен на транзисторе VT2, он формирует смещение для транзисторов VT7...VT10 и находится с ними на одном радиаторе. Последовательно с ним установлены диоды VD1, VD2 для смещения транзисторов VT5, VT6, что позволяет избежать перекомпенсации в следствии того, что данные транзисторы не имеют контакта с радиатором.

Обратная связь. Усилитель содержит две петли обратной связи, это позволяет охватить обратной связью выходной конденсатор, таким образом исправляя искажения возникающие в нем. Первая ветка обратной связи сформирована делителем R10, R16, R19. В качестве R19 установлен переменный резистор, для настройки режима усилителя по постоянному току. Вторая ветка ОС определяет усиление и сформирована делителем R1, R2, R17.

Коррекция усилителя по ВЧ выполнена двумя конденсаторами, конденсатор С5 представляет собой коррекцию на запаздывание и конденсатор С10 представляет собою коррекцию на опережение.

Технические характеристики

Характеристики будут указаны на основании компьютерного моделирования схемы.

Напряжение питания: 16 В...56 В;
Чувствительность: 1 В (RMS);
Входное сопротивление: 2 кОм;
Полоса пропускания -3 db: 10 Гц - 300 кГц;
Выходная мощность: 60(30)Вт (При напряжении питания 50 В, на 4 Ом (8 Ом));
Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 150 В/мкС (без входного ФНЧ);
Глубина обратной связи: 64 дБ/1 кГц, 48 дБ/20 кГц;
Диапазон допустимой нагрузки усилителя: 2 Ом...8 Ом (2 Ом при питании не более 40 В).

Коэффициент нелинейных искажений (60 Вт 4 Ом):

На частоте 1 кГц: 0.002%;
На частоте 10 кГц: 0.01%.

Коэффициент нелинейных искажений (30 Вт 8 Ом):

На частоте 1 кГц: 0.001%;
На частоте 20 кГц: 0.008%.

Частотные характеристики

ЛАЧХ и ЛФЧХ в петле обратной связи:

На данном графике можно увидеть частоту единичного усиления (3.5 МГц), запас устойчивости по фазе(78°) и глубину ООС (48 дБ) на краю звукового диапазона.

ЛАЧХ замкнутого усилителя:

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

Осциллограммы

Была снята реакция на меандр 1 кГц, 20 кГц (с ФНЧ на входе), синусоида 1 кГц и ограничение синусоиды в клипе.

Меандр, частота 1 кГц:

Меандр, частота 20 кГц:

Синусоида, частота 1 кГц:

Синусоида, клип (питание 45 В):

Компоненты

Перед запайкой элементов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу.

Резисторы

Резисторы R20, R21 необходимо применить металлопленочные мощностью 2 Вт;

Резисторы R4, R19 подстроечные типа 3296;

Резистор R22 необходим мощностью 0.5-1 Вт, на печатной плате установлен резистор 10 Ом типоразмера 2010;

Остальные резисторы 0.25 Вт, на плате применены резисторы типоразмера 1206.

Конденсаторы

Конденсаторы С2, С4, С8, C9, С15, С16 электролитические полярные, использовать на указанное в схеме напряжение или выше;

Остальные конденсаторы применены керамические типоразмера 1206. В случае отсутствия номинала допустимо спаривание нескольких элементов последовательно или параллельно для получения нужной ёмкости.

Диоды и светодиоды

Диод VD1, VD2 типа LL4148 или аналогичный;

Диод VD3 типа 1N4007 или аналогичный;

Светодиоды LD1, LD2 обычные красные на напряжение 1.7-2 В, на плате применены SMD типоразмера 1206.

Транзисторы

Транзисторы VT1, VT3...VT6 установлены 2N5551 (MMBT5551);

Транзисторы VT2, VT7, VT8 установлены BD139/ BD140 (могут быть заменены на КТ814/ КТ815);

Транзисторы VT9, VT10 установлены BD911/ BD912 (могут быть заменены на любые 3 МГц транзисторы с Uкэ более 60 В, например: (TIP41C/ TIP42C, TIP35C/ TIP36C, MJE3055T/ MJE2955T, КТ819/ KT818 (c учетом распиновки и корпуса))

Печатная плата

Плата усилителя выполнена односторонней, для удобства домашнего изготовления. В архиве содержится готовый гербер, который можно без каких-либо изменений отправлять на завод для изготовления печатной платы. Для скачивания так же доступна версия платы под выходные транзисторы КТ818/ КТ819, так как они отличаются расположением выводов и под транзисторы TIP35C/ TIP36C в корпусе TO-247. Пользователем Андрей Сажин так же была разработана печатная плата под выводные комплектующие( без SMD ).

Габариты авторской платы составили 55 мм*49 мм. Все провода подключаются с помощью клемм, для питания и подключения АС использованы ножевые клеммы 6,3 мм, для подключения источника сигнала использована винтовая двухполюсная клемма с шагом 3.5 мм.

Вид платы в редакторе:

Печатная плата предложенная Андреем Сажиным:

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 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 VT2, VT7 - VT10 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 500 см^2 при пассивном охлаждении;
При установке подстроечного резистора R4 в плату (типа 3296W), его сопротивление должно быть максимально.

Фото собранного устройства

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 необходимо настроить постоянное напряжение в точке "А" (+ контакт С16) с помощью подстроечного резистора R19 оно должно составлять половину питающего напряжения, для точной настройки при наличии осциллографа резистор R19 настраивается для симметричного ограничения сигнала в клипе. После можно приступить к настройке тока покоя. Замкнув вход усилителя необходимо подстроечным резистором R4 добиться падения напряжения между эмиттерами VT9, VT10 в диапазоне от 10мВ, до 20мВ, что будет соответствовать току покоя от 50мА до 100мА.

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.

P.S. Внизу прикреплен гербер файл для изготовления плат на производстве, а так же .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
Хочу поблагодарить за предоставленные фото и осциллограммы пользователя Vadim Krohin, за представленную печатную плату под выводные компоненты хочу поблагодарить пользователя Andrey Sazhin.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).

Скачать список элементов (PDF)